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ESD知识培训2017.09PlastoformConfidentialESD訓練教材PE1◇什麼是靜電放電(ESD)◆嚴寒的冬天，當您脫下暖和的毛衣，您會聽到嗶嗶啪啪聲◆乾燥的冷天，當伸手去開車門或窗戶，會感到觸電的感覺◆用手去撫摸家裡的貓，您會發現貓竟然怒髮衝冠這些就是靜電瞬間泄放(ESD)所主導產生的現象，它是一个急骤放电过程ESD-ElectroStaticDischarge◆其實靜電並不僅由人為才會產生，例如–空中對流的雲層–沙漠中隨風飄起的砂等◆我们就是要防止ESD进入电子元器件。ESD訓練教材3◇要防止ESD，首先必须知道靜電如何形成◆靜電是静止电荷所产生的电，它史載最早發現的一種〝電〞–靜電其實是自從有人類以來，就影響著人類的生活–西元前640年，希臘哲學家THACES把琥珀(Amber)摩擦後發現可以吸附毛髮，而開始知道靜電的存在◆靜電的形成•开路电池端子上的电•两个相互绝缘的物体摩擦所产生的电•在一个电场中感应到的电#導體–具有可移動的電子或價電子(ValenceElectrons)在原子結構的最外層，亦即受原子核(Nuclei)的束縛最小，當受到外來電場的吸引而移動(產生電流)，此類物質稱為導体#絕緣體–物体缺乏上述可移動的電子或價電子的物質，稱為絕緣体其表面電阻係數介於1012Ω/square以上4ESD訓練教材◎电池端子上的电，它是一种由活泼金属与电解液发生反应而形成，电解液一方呈正电，金属一方呈现负电◎摩擦生電，两个不带电的物质相互摩擦而产生电子转移的过程.57P+7P+7P+7P+e-e-e-e-e-e-e-平衡原子1e-平衡原子2帶負電原子帶正電原子e-e-e-e-e-e-e-摩擦e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-ESD訓練教材靜電就在您的週圍–人在走路或跑步就可以產生可觀的靜電，下面是一個量測人體靜電的實驗6ESD訓練教材◎A)上述條件測量結果所穿鞋子動作產生靜電壓(Volts)皮鞋原地慢速踏步150~200皮鞋原地快速跑步200~250球鞋原地慢速踏步200~250球鞋原地快速跑步250~350◎B)當不同條件下，靜電壓之變化產生方法10%~20%相對濕度65%~95%相對濕度走過地毯35,000V1,500V走過塑膠地毯12,000V250V在椅子上工作6,000V100V拿起塑膠文件夾7,000V600V工作椅墊摩擦18,000V1,500V注,1.二種不同性質的物質碰在一起再分離(称为摩擦).2,其中一種物質為絕緣體.7◆工作場所中常見的靜電產生物質或活動：•工作桌面–一般的塑膠、上脏、上漆。•地板–水泥地板、一般塑膠地板。•衣服–人造纖維衣服、一般非導電鞋、抹布。•椅子–木材椅、塑膠椅、玻璃纖維椅。•包裝及運送–塑膠袋、泡棉、保麗龍、塑膠盒。•組裝、加工、測試、修理–噴霧清潔劑、吸錫器、鉻鐵、刷子、塑膠帶、熱氣、烤箱、複寫紙。ESD訓練教材◇半導體產品抗靜電能力◆抗靜電能力之量測(HumanBodyModel)•依MIL-STD-883，Method3015，測試線路圖：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)8RegulationHighVoltagePowerSupplyDCMeterD.U.T.R1R21.5KΩ?%C1100pf?10%WaveformMeasurtmentTerminalR1-CurrentLimiterRs-RelayC1-人體電容(平均)R2-人體電阻(平均)D.U.T.-待測材料A,B-待測物之接腳ABRSESD訓練教材◎各類半導體材料抗靜電能力之比較(NEPCON/WESTReport)晶片種類靜電破壞電壓(Volts)MOSFET100~200EPROM100~JFET140~7,000Op-Amp190~2,500CMOS250~3,000SCHOTTKYDIODE300~2,500TTL300~2,500BipolarTransistor380~7,000ECL500~SCR680~10,000抗靜電物質-物質若經自己相互磨擦或相互分開或與其它類似物質分開時不產生大於+/-200(TCP100V)伏特的靜電壓者.9ESD訓練教材◆抗靜電能力之分類–依上述量測方法得到的結果，可將材料之抗靜電能力區分為CategoryA與CategoryB(早期MIL分法)類別耐電壓(Min.Volts)材料防靜電包裝保護需求A20~2000防靜電管及導電袋B2000防靜電管及防靜電袋由上可知，大體而言只要100V以上的靜電壓就可以對半導体產生傷害，故ESD之防護工作，我們不可不慎。而基本上，不同Category之半導體可以不同的等級來做ESD防護，但為方便於處理，通常都以處理較嚴密的CategoryA來做防護措施。10ESD訓練教材◆ESD對人体會造成傷害嗎？•家中的110V、240V常常因為使用不慎造成傷亡，那動輒幾KV之ESD呢？是否會對人體造成傷害呢？•造成肌肉或心臟麻痺主要的是……電流，尤其是交流電流。•電流對人體傷害分析表(MIL-STD-454)。電流大(毫安培、mA)AC(60Hz)DC結果0-10-1有知覺1-44-15感到驚訝4-2115-80有反射動作21-4080-160肌肉麻痺40-100160-300休克100以上300以上立即死亡11ESD訓練教材12◇ESD的影響品質方式1.人體放電模式(HumanBodyModel,HBM)–顧名思義知道此為借由人體於走動摩擦產生靜電，而影響到元件的模式人體元件(HBM)--------ESD訓練教材2.電場感應模式(FieldInducedModel,FIM)–指由於外來電場感應產生電荷，巧遇機緣而將電荷引導接地引起的模式3.充電元件模式(ChargedDeviceMode,CDM)–上述FIM模式中當元件被移離開電場或接地時，就變成CDM模式13元件外在電場感應電荷接地造成ESD放電(FIM)(Field)E(Grounded)元件接地消失移離電場(CDM)(Field)ESD訓練教材14◇元件被ESD破壞之原因及型態◆ESD破壞之原因：1.功率產生：如熱崩潰、金屬被熔融2.電壓產生：如介電質崩潰、表面崩潰3.潛在性故障：如功能劣化、降級(PS:EOS-指一個IC材料受到其所能負荷的電壓,電流而遭受到破壞的狀態)ESD訓練教材15◆ESD破壞之型態1.接面崩熔（JunctionBurnout）過大的電流通過接面時，產生極大的熱量，使得接面崩熔。此種破壞是屬於接面短路，並有二個特性A..即使ESD的能量未能打穿接面（JunctionBurnout），也能造成元件的失效B.正向偏壓的ESD破壞能量是負向偏壓的5~15倍2.氧化層貫穿針引線（OxidePunchThrough）通常在金屬氧化層半導體（MOS）上可以發現此類型之破壞，這是由於外加的靜電壓超過了氧化層的崩潰電壓所致。其現象亦是短路。EBCEBCESD訓練教材163.金屬層崩熔（MetalizationBurnout）由於過大的電流流經金屬層，並在較脆弱的地方產生，由於此種破經常是伴隨著接面短路或是氧化層短路之後發生故屬於所謂的二次崩潰（SecondaryBreakdown）。而其現象為斷路。ESD訓練教材17◆靜電的累積破壞–負傷而行•負傷而行（WalkingWounded）–許多實驗證實靜電能使半導體負傷，但不致立即完全破壞其功能，而且有多數這些『負傷而行』的元件都能通過測試直到這些元件送到客戶之後，隨時會從『負傷而行』變成完全失效。•下面是一ESD累積破壞的試驗：應用前述HBM接線方式（僅略去人體的電阻R2=1.5KΩ）來量測54S163IC試驗條件：試驗結果：材料：54s163測試前I=2.883μAPASS人體電容：100pf第一次I=2.883μAPASS每次放電：50V第二次I=2.890μAPASS放電次數：5次第三次I=2.890μAPASS測試點：Vin=Pin2(A)第四次I=1.872mAFAILGND=Pin8(B)第五次I=2.147mAFAILESD訓練教材18◇ESD破壞分析◆找出PCB上之故障元件◆對故障元件進行基本電性量測–功能測試–參數測試◆X-ray做表層分析◆去封膠（Decapsulate）檢視內部◆去除各層（玻璃層、鋁層）層層檢視幾種遭ESD破壞案例參考ESD訓練教材19去鋁層之後的接合窗A金屬接合窗橫切面放大(2,000)橫切面放大(10,000)ESD訓練教材20◇靜電防護◆晶片設計的靜電防護(治本方法)本方法乃是靜電防護最好的辦法，但在設計半導體的抗靜電電路時，必須考慮到電路產生熱的影響、反應時間、最大電壓、能量傳導、寄生電容等等因子，故並非隨心所欲可以辦到。因此靜電防護仍必須靠一些治標的方法。◆靜電防護的基本原則1.避免靜電產生2.疏導或中和所產生之靜電3.屏蔽靜電場逐一介紹說明如下：ESD訓練教材211.避免靜電產生(A)潮溼法(Moisturing)水氣本身會有導電現象，故可降低絕綠體表面電阻，達到靜電防護目的(B)抗靜電塗佈法(Anti-StaticCoating)–有部份溶液可噴灑於綠體青面降低物體表面電阻，達到靜電防護的目的。但此種塗層，日久會脫落而漸漸失去其效果，故必須考慮其有效期。(C)內部靜電劑法(ImbededAnfi-StaticAgent)–這是在材料中加入具有導電性或吸溼性的物質，使其外層具有輕微導電性。此方法可以不必考慮有效期，但成本較高。2.疏導或中和靜電法(A)疏導法(Bleed-Off)典型的疏導法就是配帶靜電環(WristStrap)，是將人體產生之靜電電荷，藉由導線將所產生之電荷傳導出去。通常靜電環中會接一1MΩ之接地電阻，以保護人員工作之安全。ESD訓練教材22(B)中和法(Neutralization)利用靜電消除器(Ionizer)來釋出正、負離子以中和消除靜電效應。目前常用的靜電消除器有下列幾種：a.放射性靜電消除器–使用放射性物質釙或元素之輻射能來撞擊空氣使之分裂成等量的正、負離子。使用此Ionizer必須加防護結構。其優點是不需電源容易裝置，具有防炸功能；缺點是使用壽命短(每年更換)，必須離使用遇火警時極危險。b.高壓靜電效應消除器–利用針點高壓(5KV左右)尖端放電來電離空氣分子。此種裝置具有高效率及高安全性之特點，所產生之電流僅幾微安培(μA)，不會產生電擊。c.感應靜電效應消除器–這是利用帶電物質之高電壓(對接地點)來電離空氣離子ESD訓練教材233.摒蔽靜電場（FieldShielding）此種方法乃利用FaradyCage之原理使靜電場被摒蔽在容器之外圍。左圖是－5KV電場下各種容器內測得的靜電場，右圖是一摒蔽電場之模型電場無法貫穿僅分佈表面電壓(kv)時間(秒)01.02.03.01.02.03.0導電袋防靜電袋一般PE袋金屬容器ESD訓練教材◇各類常用靜電防護材料1.靜電環–由伸縮拉環，內含1MegaΩ±10%電阻之導線及接頭所構成。配帶靜電環時必須注意到：(a)靜電環必須與手緊密接觸，不可鬆脫或套於衣袖上(b)與接地之間必須保持1MΩ±10%之電阻(c)接頭必須固定妥當，當接頭未接地妥當時，不得碰觸材料2.抗靜電材料(袋、管、管塞、盒等)–在材料上塗佈抗靜電液，使材料不會產生靜電荷，或僅產生微量的靜電荷(通常在100V以下)。此類材料表面電阻要求在1012Ω/square以下，靜電消散時間2sec。使用此材料應：(a)此材料僅能防止本身產生靜電，而卻無法防止靜電場破壞(b)表面塗層必須考慮其有效期(c)一般工業界會將此類產品製成粉紅色24ESD訓練教材3.靜電遮蔽材料(袋、管、管塞、盒等)–此種材料一般含有二或三層，上下(或外)層是抗張力強的抗靜電化學合成物質(R1012Ω/square，靜電消散時間2sec)，中間(或內)層是一層