防静电(ESD)知识培训

ESD（ElectroStaticDischarge）基础知识目录1.静电的产生原理2.静电的危害3.静电放电的形式4.静电的防护措施5.防静电系统的建立静电产生原理ESD─ElectroStaticDischarge在日常生活中常见的静电现象：冬天手握金属门把手穿毛衣时的劈啪声以及火花用塑料梳子梳头发，头发会立起斯诺克台球击球时一.摩擦生电通常任何物体所带有的正负电荷是等量的，当与其它物体接触、摩擦、并由于机械作用分离时，因两种物体得失电子能力不同，得到电子一方积聚负电荷，另一种物体则积聚正电荷，在各物体上产生静电，并在外部形成静电场。静电产生原理e-7P+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-二.感应带电三.传导带电静电产生原理e-+++++++++---++++++++++++++++四.剥离带电粘贴的标签或塑料揭下来时易发生静电，轴和皮带滚动分离时也容易产生静电。五.其他方式光电效应喷射带电静电产生原理e-++++++轮子轴皮带静电产生原理e-（+）空气人类的手锡面动物的毛玻璃头发晴纶羊毛毛皮铝绸子纸棉木材铁铜银金硫磺PVC（塑料）（-）-该序列是按带电量多少由正到负排序，最上是带（+）电子最多，依次减弱至最下为带（-）电子最多.人体感知静电位能力人体带电电位电冲击的程度备注1.0KV2.0KV2.5KV3.0KV4.0KV5.0KV6.0KV7.0KV8.0KV9.0KV10.0KV11.0KV12.0KV没感觉手指尖有感觉但不疼吓一跳，好象碰上针尖，但不疼有点疼，用针轻轻刺一下的感觉手指头有轻微痛感，感觉用针刺一下手心或胳膊腕子因电冲击感觉痛手指头好疼，感觉胳膊被电冲击手指头和手心上有强烈的疼痛和麻木的感觉手心和胳膊感觉麻木手腕强烈疼痛，感觉麻木手全部疼痛，感觉触电手指头有强烈的麻木，整个手被强烈电冲击因强烈的电冲击，身体有触电的感觉发生微弱的放电音能见到放电的火光手指尖上放电火光（注）人体静电容量100PFESD的特殊性1大多数ＥＳＤ损害发生在人的感觉以下,人体对静电放电的感知电压约为3ＫＶ，而许多电子元件在几百伏甚至几十伏时就会损坏。2静电的产生和积累要一定的条件和过程，所以未加保护也不见得件件产品都会受到ESD伤害，有一定的偶然性；3由于多数情况下ESD能量都较小，所以受到ESD伤害的也并不表现为立即报废，有些仅表现为漏电增加，工作不稳定，甚至在出厂测试中一时表现不明显，以后发现问题易归咎为材料不良或设计不良而不自省，因此常使人们认识不到ESD的危害，抱有侥幸心理。特别是潜在损坏，即使用精密仪器也很难测量出其性能有明显的变化，这种潜在损坏在一定时间以后，电子产品的可靠性明显下降。ESD的特殊性4.静电是时时刻刻到处存在的，随着集成电路的密度越来越大，一方面其二氧化硅膜的厚度越来越薄（微米－纳米），其承受的静电电压越来越低，另一方面，产生和积累静电的材料如塑料，橡胶等大量使用，使得静电越来越普遍存在。5提高产品的防静电能力，就要有全面的静电基础知识，做好ESD预测和ESD防护设计。静电的危害静电有三种方式对电子工业危害最大。一.吸附尘埃◆静电吸附尘埃对微电子生产业影响很大，在现代大规模集成电路（LSI）生产中，芯片的线宽已达到0.1微米。如果其产生静电，则对几～几十微米尘埃吸附作用的明显。一颗直径几微米尘埃吸附在芯片上，即可造成十几根芯线之间的绝缘强度降低、造成短路使芯片损坏。（见图1-1）靜電的危害二.静电放电静电放电可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。静电放电对芯片损坏具有潜在和缓慢失效性。这种情况危害性更大。三.辐射电场静电放电产生的宽频干扰可对计算机和低电平数字电路产生干扰，导致工作状态发生翻转效应或导致仪器（表）运行失常。静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米）频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产器造成干扰甚至损坏（电磁干扰）靜電的危害金屬接合窗橫切面放大(2,000)橫切面放大(10,000)靜電引起的不良类型1暂时性功能丧失2逐步性能恶化（最严重）3部件性能完全丧失其中逐步恶化型是电子制造业中最大的隐患，也正是我们要预防改善的重点靜電放電形式国际通用的3种ESD模型1)人体模型:HumanBodyModel(HBM)EIA/JESD22-A114-AANSI/EOS/ESD-S5.1-1993MIL-STD-883(method3015)IEC61000-4-22)机器模型:MachineModel(MM)EIA/JESD22-A115-AANSI/EOS/ESD-S5.1-19933)带电器件模型:ChargeDeviceModel(CDM)JESD22-c101ESD模型人体模型(HBM)1)放电电容C=100pF,R=1.5KΏ2)6次ESD脉冲3次正脉冲,3次负脉冲每次放电间隔时间大于1S3)用于器件特性测量4)广泛采用的模型5)第一个尖峰上升时间Tr:2nSTr10nSCurrentWaveformThroughaShort-HBM-1.02.03.04.05.06.07.08.00100200300400500Time(nS)人體元件ESD模型人体金属模型(IEC61000-4-2/GB17626.2)1)HBM的一种增强型,为现代ESD测试使用最广泛的模型2)它类似于人体手握金属体如镊子的模型.场集中在工具的最尖处,有效放电电阻减小.其中,C=150pF,R=330Ώ3)在电压相同时,产生的电流比人体模型更大,所以危害也更为巨大.上升时间极短:0.7nsTr1ns60ns静电防护措施一.电子元器件的设计基本原理:使用电压箝位电路阻止高压进入，同时提供大电流分流通道。基本原则:1)速度要快，这是ESD干扰的特点决定的；2)能应付大的电流通过；3)考虑瞬态电压会在正、负极性两个方向发生；4)对信号增加的电容效应和电阻效应控制在允许范围5)考虑体积因素；6)考虑产品成本因素。静电防护措施二静电防护的基本原则1.减少静电的产生2.疏导或中和所产生的静电实际上，在生产现场不产生静电是不可能的，所以我们主要的工作就是要疏导已经产生的静电。避免静电产生1.增加湿度湿度增加则非导体材料的表面电导率增加，使物体积蓄的静电荷可以更快泄露。在静电危险场所，在工艺条件许可时，可以安装空调设备、喷雾器以提高空气的相对湿度消除静电。一般情况，用增湿法消除静电的效果是很明显的。但需要指出的是，对于表面容易形成水膜，即容易被水润湿的绝缘体如橡胶等、增湿是有效的。而对于表面不能形成水膜的材料如聚四氟乙烯等、增湿对消除静电是无效的。对于孤立（无静电泄漏途径）的带静电绝缘体，增湿也是无效的。另外增湿的方法不宜用于消除高温环境中的绝缘体上的静电。湿度1.相对湿度空气中实际所含水蒸汽密度和同温度下饱和水蒸汽密度的百分比值，叫做空气的“相对湿度”。体现了该温度下水蒸气的饱和程度，在饱和状态下，水分不再蒸发。随着温度的增高空气中可以含的水就越多，也就是说，在同样多的水蒸气的情况下温度升高相对湿度就会降低。因此在提供相对湿度的同时也必须提供温度的数据。2.绝对湿度单位体积空气中所含水蒸汽的质量，叫做空气的“绝对湿度”。湿度与产生静电的关系在电子工业，提高湿度这种方法不能广泛使用，因为湿度过高会使工作人员感觉不舒适。而且会使设备生锈和材料受到损害。因此一般都将湿度控制在50％－60％之间。静电产生方法静电电压（V）相对湿度：10%—20%相对湿度：65%—90%人在地毯上行走160001500人在乙烯树脂地板上行走12000250人在工作台上操作6000100乙烯树脂说明书封面摩擦7000600聚氨脂泡沫垫子移动180001400二疏导或中和所产生的静电1.静电耗散与接地将各种操作运行过程中产生的静电迅速耗散是防止静电危害行之有效的方法。静电耗散主要是通过将电子工业生产过程中接触到的各类绝缘工装夹具和制品改用防静电材料制备并使之接地来完成的。通常所说静电耗散，就是将ESD防护材料或导体上积累的静电荷用某些导静电方式，将其泄漏到大地或者一个表面积足够大的悬浮接地体上。静电接地适用于导静电材料和静电耗散材料。1）、材料导电性能分类：根据国标GB12158-90《防止静电事故通用导则》，体积电阻率小1×102欧·米的材料定为静电屏蔽材料，体积电阻率和表面电阻率分别小于或等于1106欧·米、1107欧的材料叫导静电材料（静电导体），在1106～11010欧·米、1107～11011欧范围内的为静电耗散材料（静电亚导体）、在11010欧·米和11011欧以上的为静电非导体材料。不同标准，分类界线并不完全相同。为统一规定，目前国际和国内对静电耗散和导静电材料划分是以国际电工委员IEC1340-4-1规定为基准。IEC1340-4-1规定；表面电阻、体积电阻等于或低于1×106欧姆的材料为导静电材料；1×106～1×109欧姆的材料为静电耗散材料。通常静电耗散材料制备的防静电用品（用具），使用在工作环境中有220伏、380交流强电或直流强电的场所，能对操作人员提供安全保护。而导静电材料用于没有强电的情况下、火工行业和有防爆要求的场合。2）.悬浮接地在生产过程中产生的静电可以通过ESD防护材料及接地泄漏。如果ESD防材料的面积足够大时，也可降低静电电压，例如，某静电源的电荷量为0.6微库仑，其对地电容量20微微法时，静电源的对地电压30000伏。当泄漏到一块表面积为10平方米的导静电地面时（对地电容10000微微法），每平方厘米的带电量仅为6微微库仑，此时静电电压只有60伏。所以在某些情况下，可将表面积非常大的ESD防护材料视为一悬浮接地体，既使其不直接接地也不会积累很高的静电电压，对ESD敏感器件起到一定的保护作用。但在实际生产过程中，接触到的危险静电源很多，而且积累的电荷量也比较大。单纯使用ESD防护材料往往不可能提供足够大的面积，把静电源的对地电位控制在静电敏感器件的损伤阈值以下，这时必需采取接地措施。3）.静电接地1.接地方式软接地：指地线串接阻值较高的电阻器后再与大地相连。软接地的目的在于将对地电流限制在人身安全范围之下（通常为5毫安）软接地所需要的电阻值大小，取决于靠近接地点的人员可能接触到的交、直流电压值。很多标准将软接地电阻值定为1兆欧。硬接地：指将地线直接接地或通过一低电阻接地。一般情况，硬接地用于静电屏蔽或仪器设备，金属体的接地。2.接地电阻的确定静电接地电阻值R的大小取决与危险静电源的最大起电率I和防静电工作区中允许出现的最高静电电位U：R=U/I对于静电接地电阻，国家标准GB12158-90规定；静电导体与大地间的总泄漏电阻通常不应大于1兆欧，每组专设的静电接地装置的接地电阻值，一航不应大于100欧。在山区等地，其接地电阻值也不应大于1000欧。静电接地注意事项静电接地应尽可能避开某些精密仪器的信号接地、微小参量仪器的接地。因为静电接地泄放静电时可能产生较高脉冲，对仪器产生干扰。静电接地应和防雷接地分开。因为防雷接地在泄放雷电流时，可产生较高反击电压，通过静电接地能将反击电压引入静电防护区造成安全事故或将仪器设备损坏，在工程中静电接地应与防雷接地相隔20m距离。对于某些建筑物，由于在设计中已将防雷接地和其它接地共用一个接地体，此时系统接地电阻必须小于1Ω。另外在其它地线支路（不包括防雷地线支路）必须装设防反击的装置（压电元件等）和防雷接地连接，形成等电位体。避免串联接地，应独立接地。4）静电中和静电中和是消除静电的重要措施之一，适用与消除静电非导体上的电荷。适用于不方便接地的绝缘类材料静电中和原理：利用外界因素将空气电离，利用异性电荷相吸的原理，异号电荷与静电源上的电荷中和，同号电荷导向大地，从而消除静电源上积累