静电防护知识培训教材

深圳市研祥智能科技股份有限公司（静电防护知识培训教材）编制：王德志、钟自强、朱春田EVOC品质中心编制2002年7月第一章静电的危害一、静电防护的重要性和紧迫性现代科学技术（特别是微电子技术和PCB技术）的飞速发展，对电子产品和设备的要求越来越高。而它们的核心部分——集成电路，也在向着全程更小、功能更强的超大规模集成电路方向发展。然而，集成电路的基本特点是高集成度、细引线、小间距，且大量使用CMOS电路（低功耗，低电压，高输入阻抗）。这样的构造，使得集成电路极易遭受静电的危害，进而器件寿命缩短，品质劣化，最终使得电子设备性能降低甚至完全瘫痪！例如，集成电路中的线宽和间距越来越窄（从10um到0.2um），电源电压越来越小（从15V到1.5V）,器件抗ESD损坏的阈值电压越来越低.第一章静电的危害二、静电对电子组件的影响1、静电的基本物理特性:1.有吸引或排斥的力量；2.有电场存在,与大地有电位差；3.会产生放电电流以上这3种情形,可对电子元件造成以下影响:1.元件吸附灰尘,改变线路间的阻抗,影响元件的功能和寿命；2.因电场或电流破坏元件绝缘层和导体,使元件不能工作(完全破坏)3.因瞬间的电场软击穿或电流产生过热,使元件受损,即使仍可工作,但是寿命受损。上述這三种情況中,如果元件完全破坏,必能在生产及品质测试中被察觉而排除,影响较少。如果元件轻微受损在正常测试中不易被发現。在這种情形下,常会因经过多层次加工,甚至已在使用时,才被发现破坏,不但检查不易,而且损失亦难以預測,不知要耗费多少人力和财力才能查出存在的问题,如果在使用时才发现故障,其损失将可能包含人命与不可计数的金钱,所以静电对电子元件产生的危害不亚于严重火灾和爆炸事故的損失。第一章静电的危害表1静电对部分电子器件的击穿电压器件类型EOS/ESD的最小敏感度(以静电电压V表示)VMOSMOSFET砷化镓FETEPROMJFETSAW(声表面波滤波器)运算放大器CMOS肖特基二极管SMD薄膜电阻器双极型晶体管射极耦合逻辑电路可控硅肖特基TTL30~1800100~200100~300100以上140~7000150~500190~2500250~3000300~2500300~3000380~7800500~1500680~1000100~2500第一章静电的危害表2静电放电对电子元器件造成损害的主要机理元器件类别元器件组成部分失效机理失效标志MOS结构MOSFET(分立)MOS集成数字集成线性集成混合电路电压引起的介质击穿和接着发生的大电流现象短路漏电大半导体结二极管(PN.PIN肖特基)双极晶体管结型场效应管可控硅双极型集成电路,MOSFET和MOS集成电路电过剩能量和过热引起的微等离子体二次击穿和微扩散由Si和AL的扩散引起电流束增大(电热迁移)失效第一章静电的危害薄膜电阻器混合集成电路(厚膜、薄膜)电阻单片集成电路薄膜电阻器密封薄膜电阻器介质击穿,与电压有关的电流通路与焦尔热量有关的微电流通路的破坏电阻漂移金属化条混合IC单片IC梳状覆盖式晶体管与焦尔热能量有关的金属烧毁开路场效应结构和非导电性盖板存贮器EPROM等由于ESD使正离子与表面积垒.引起表面反型或栅阀值电压漂移性能退化、失效压晶体管晶振声表面波电压过高产生的机械力使晶体破裂性能退化、失效电极阀的间距较小部位声表面波器件IC内各种微电路电孤放电使电极材料熔融性能退化、失效续上页第一章静电的危害2、静电危害的隐蔽性由表2可知ESD/EOS有其特殊性：一是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/EOS伤害，有一定的“偶然性；二是由于多数情况下ESD/EOS能量都较小，所以受到ESD/EOS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/EOS的危害，抱有侥幸心理。第一章静电的危害3、静电的危害集中体现在以下两方面:1）、潜在性（1）人们对于3500V以下的静电不易感觉；（2）90%的ESD对元器件、电路的破坏是潜在性的；（3）误认为在设计上”有保护电路”,即使造成损伤、也可”恢复”，因而不予以重视；2）、严重性（1）在电子产品运行出现的故障中，有49%的原因是静电所致。（2）88年美国因ESD影响损失50亿美元。（3）日本IC生产中的不合格品有45%是由静电造成的。尽管静电的独特作用也为人们带来了方便，如静电复印、静电喷涂、静电除尘等，但对于电子产品制造业来说，静电的危害不仅是严重的，甚至是致命的。所以，如何控制静电、以降低其对电子产品的危害，就显得尤为重要。第二章静电基本知识一、静电和静电现象1、简单的静电放电现象：（1）有机玻璃与棉布磨擦后，吸起碎纸屑。（2）脱下化纤衣物时产生劈啪声，夜间可见火花（空气击穿场强为30KV/cm）。2、什么是静电：静电一般指静止的电荷,即相对于另一表面或相对于地的物体表面上电子过剩或欠缺。表面电子不足带正电,表面电子过剩则带负电,不足或过剩的电总量决定表面电荷量。我们把电荷的产生和消失过程的电现象称为静电现象。当一物体上存在静电时,分子在电中性上不平衡。当试图通过处于不同电位的一物体和另一物体的转移以重新建立中性平衡时,就发生静电放电。第二章静电基本知识3、静电的特点：1）高电位：最高可达数万至数十万伏，操作时常达数百和数千伏。2）低电量：静电流多为微安级。3）作用时间短：静电放电的持续时间多为微秒级。4）受环境影响大：特别是湿度，湿度上升、静电下降。4、相关术语1）ESD（ElectroStaticDischarge）：即是静电放电的意思，具有不同静电势的两个物体之间的静电转移。2）静电敏感度：元器件所能承受的静电放电电压值称为静电敏感度。它与元器件的结构尺寸、材料性能、功耗大小等因素有关。根据国家《电子产品防静电放电控制大纲》规定，将“静电敏感度”分成三级：1级：0~1999V2级：2000~3999V3级：4000~15999V非敏感：16000V以上第二章静电基本知识3）静电敏感器件（ESSD——ElectrostaticSensitiveDivices）：电表敏感器件是指在日常操作、试验、包装、运输等过程中容易遭受静电场或静电放电的损害的分立器件、集成电路及组件。研祥公司常见的静电敏感元器件：晶体管、集成电路（IC），场效应管（MOS管），光电器件，板卡。4）表面电阻率：沿试样材料表面电流方向的直流电场强度与单位长度的表面传导电流之比，单位用Ω表示。5）体积电阻率：沿试样材料体积电流方向的直流电场强度与该处电流密度之比，单位用Ω.cm表示。第二章静电基本知识二、静电是怎样产生的?物质都是由分子组成，分子是由原子组成，原子中有带负电的电子和带正电荷的质子组成。在正常状况下，一个原子的质子数与电子数量相同，正负平衡，所以对外表现出不带电的现象。但是电子环绕于原子核周围，一经外力即脱离轨道，离开原来的原子儿而侵入其他的原子B，A原子因缺少电子数而带有正电现象，称为阳离子、B原子因增加电子数而呈带负电现象，称为阴离子。(如图所示)第二章静电基本知识2、造成不平衡电子分布的原因即是电子受外力而脱离轨道，这个外力包含各种能量(如动能、位能、热能、化学能……等)在日常生活中，任何两个不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电，所以磨擦是产生静电最通常的方式。3、当两个不同的物体相互接触时就会使得一个物体失去一些电荷如电子转移到另一个物体使其带正电，而另一个体得到一些剩余电子的物体而带负电。若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累使物体带上静电。所以物体与其它物体接触后分离就会带上静电。通常在从一个物体上剥离一张塑料薄膜时就是一种典型的“接触分离”起电，在日常生活中脱衣服产生的静电也是“接触分离”起电。4、固体、液体甚至气体都会因接触分离而带上静电。为什么气体也会产生静电呢？因为气体也是由分子、原子组成，当空气流动时分子、原子也会发生“接触分离”而起电。所以在我们的周围环境甚至我们的身上都会带有不同程度的静电，当静电积累到一定程度时就会发生放电。第二章静电基本知识5、我们都知道摩擦起电而很少听说接触起电。实质上摩擦起电是一种接触又分离的造成正负电荷不平衡的过程。摩擦是一个不断接触与分离的过程。因此摩擦起电实质上是接触分离起电。在日常生活，各类物体都可能由于移动或摩擦而产生静电。工作桌面、地板、椅子、衣服、纸张、卷宗、包装材料、流动空气。6、另一种常见的起电是感应起电。当带电物体接近不带电物体时会在不带电的导体的两端分别感应出负电和正电。第二章静电基本知识三、物体不接触也能起电吗？除物体除接触后分离能起电外，当带电物体接近不带电物体时会在不带电的导体的两端分别感应出负电和正电，如下图1所示。当物体Ａ与Ｃ发生放电时会造成Ｃ与Ｂ之间放电，如下图2所示。若Ｃ与Ｂ之间不发生放电，则Ｃ会带上剩余的电荷，如下图3所示。图1图2图3第二章静电基本知识四、怎样知道物体表面带有静电，可以用静电测试仪测量，也可以用薄纸片靠近它，看薄纸片是否被其吸引。五、什么是静电放电，带有异种静电荷的物体彼此靠近时，或它们与其它金属导电物体靠近时，当他们之间的空气被其间的电压击穿时，产生的电火花现象即为静电放电。六、电荷，就是带电粒子。物体由分子组成，分子又由原子组成，原子又由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成。平时，它们的正负电荷量是一样多的，所以显中性。由于某种原因当它们失去一些电子时它们有了多余的正电便带上了正电荷，当它们得到一些电子时，它们有了多余的负电，它们便带上了负电荷。这就是电荷。第二章静电基本知识七、电位，带电物体周围存在有电场，它是一种能量场，处在其中的带电粒子受此电场力的作用，会产生定向移动（根据同性相吸、异性相斥的原理运动），靠主电荷越近的地方作用力越大，此处的电位也就越高，这就是电位，也叫电势。大地的电位为0电位。八、电流，当带有静电的物体与接地导体相接触时，在电场力的作用下，其上的静电荷就会转移到导体上去，这便形成了电子的流动即电流。利用这个原理，我们可以将有害的静电及时从接地导体上放走。为了防止放电电流过大，造成焦耳热损伤，所以在防静电带的接地线中串入了一个1M的泄放电阻。九、静电的物理现象静电的带电体所产生的电场称为静电场。静电与静电场有三种重要的作用和物理现象,即力的作用、电场强度和放电现象、静电感应。第二章静电基本知识十：人带上很高电压的静电会有什么生命危险吗？人身体上能带多高电压的静电？带上很高的静电会有什么生命危险吗？人体静电极端电位值是多少？我们试验过人体带静电5万伏时没有不适的感觉，带上8万伏高压静电时依然面带微笑，10万伏（最高试验过12万伏）时也没有生命危险！第二章静电基本知识第三章静电的产生与作用一、静电的产生1、静电的产生，造成物体表面产生过剩的正电荷或负电荷的过程叫做带电，或产生了静电。静电可以通过物体之间的摩擦产生，也可以通过静电感应产生。静电现象在我们日常生活中比比皆是，如：雷雨天天空中的雷电，冬天脱衣服时的火花放电，走路时化纤裤子老易沾附在人的脚和腿上等，都是静电的充分表现。2、人体的导电性，人体的体液和血液是导体，电阻很小，电流容易流过；但人体的皮肤的导电性远不如体液好，而且与季节和空气中的湿度有关。所以人体在寒冷干燥的冬天容易带较多的静电，而在炎热潮湿的夏天人体所带的静电就少多了。空气的导电性也如此，在寒冷干燥的冬天导电性差，周围物体上的静电不易被它放掉；而在潮湿的空气中，物体上的静电则易于被它放掉。后者对工作场地防静电有利。第三章静电的产生与作用3、人体静电的来源1）体表与衣服的磨擦，2）衣服之间的磨擦，3）衣服与外界（包括空气）之间的磨擦，4）人体与带静电物体的接触时的导入等。4、静电的特点，静电以电荷的形式存在与物体的表面，在绝缘物体表面它的分布是不均匀的，因为它在绝缘体上不能自由移动;而在绝缘导体表面它的分布基本是均匀的，这与周围的环境有关。静电的特点还有：高电位：最高