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1、1,浙江科丰电子有限公司 刘祖明 2007-3,2,静电防护基础知识培训,第一部分 静电防护基础知识,3,静电的基本概念：定义,静电：物体表面过剩或不足的相对静止不 动的电荷。静电是一种电能，它留 存于物体表面；静电是正电荷与负 电荷在局部范围内失去平衡的结果。 简单说静电就是静止的电荷。任何两个不同材质的物体接触后再分离，都会产生静电。 静电放电（ESD）：具有不同静电电位的物体，由于直接接触或者静电感应引起物体间的静电电荷转移。这种在静电场的能量达到一定程度后，击穿其间介质而进行放电的现象。,5,静电现象,静电电压很高，但一般并不能伤害人体的性命。 但当静电流流通整个人体时，可以让人产生被
2、电击感。,6,认识静电,7,认识静电,右边是国家兵器局防静电研究所在测试：用静电枪放电使火箭弹点火装置意外触发。 同样的事例发生在1967年的美国佛斯特号航空母舰上，一枚挂载A4机翼下地对地攻击导弹意外点火，造成134人死亡的严重事故。,8,人 体 静 电,人体静电：指由于自身行动或与其它的带 电物体相接触或相接近而在人 体上产生并积聚的静电。 人体静电的起电方式主要有： 、步行起电。 、摩擦起电。 、静电感应起电。 、接触传导带电。,9,静电的应用技术,主要是利用电荷的同性相吸、异性相斥和静电吸附的特性，主要应用在： 1.静电除尘技术 2.静电复印技术 3.静电涂覆技术 4.静电分选技术 5
3、.静电生物效应等,10,静电放电对电子器件的危害1,右图是ESD对电子元件的损害，箭头所指处为静电放电后造成的“爪型脚”，使集成电路部分损坏。（该图放大320倍）,11,如果一个元件的两个针脚或更多针脚之间的电压超过元件介质的击穿强度，就会对元件造成损坏。这是MOS器件出现故障最主要的原因。氧化层越薄，则元件对静电放电的敏感性也越大。故障通常表现为元件本身对电源有一定阻值的短路现象。对于双极性元件，损坏一般发生在薄氧化层隔开的已进行金属喷镀的有源半导体区域，因此会产生泄漏严重的路径。,静电放电对电子器件的危害2,12,另一种故障是由于节点的温度超过半导体硅的熔点（1415）时所引起的。静电放电
4、脉冲的能量可以产生局部地方发热，因此出现这种机理的故障。即使电压低于介质的击穿电压，也会发生这种故障。一个典型的例子是，NPN型三极管发射极与基极间的击穿会使电流增益急剧降低。,静电放电对电子器件的危害3,13,器件受到静电放电的影响后，也可能不立即出现功能性的损坏。这些受到潜在损坏的元件通常被称为“跛脚”，一旦加以使用，将会对以后发生的静电放电或传导性瞬态表现出更大的敏感性。,静电放电对电子器件的危害4,14,要密切注意元件在不易察觉的放电电压下发生的损坏，这一点非常重要。人体有感觉的静电放电电压在3000 5000V之间，然而，元件发生损坏时的电压仅几百伏。静电放电的危害效应是在二十世纪七
5、十年代开始认识到的，这是由于新技术的发展导致元件对静电放电的损坏越来越敏感。静电放电造成的损失每年可达到几百万美元以上。因此，许多大型的元件和设备制造厂引进专业技术以减小生产环境中的静电积累，从而使产品合格率和可靠性提高了许多。用户根据自己的经验也懂得了防治静电放电损害的重要性。,静电放电对电子器件的危害5,15,ESD损伤的失效模式,即时失效：又称为硬击穿或突发性完全失效, 它是器件的一个或多个电参数突然劣化, 完全失去规定功能的一种失效。 延时失效：如果带电体的静电位或存贮的静电能量较低，仅能供给短暂发生的局部击穿能量，或ESD回路有限流电阻存在，一次ESD脉冲不足以引起器件发生突发性完全
6、失效，但它会在器件内部造成轻微的损伤，使器件的性能劣化或参数指标下降，降低了器件抗静电的能力、使用可靠性与寿命，使其运行一段时间后，出现故障而不能正常工作。,16,典型的ESD损伤失效机理,典型的ESD失效机理包括 ： 1)热二次击穿、2)金属化熔融、3)体击穿、4)介质击穿、5)气弧放电、6)表面击穿。前三者的失效机理与能量有关，而后三者的失效机理与电压有关。 典型ESDs器件失效分析示例表,17,静电敏感器件（SSD）,静电敏感器件：在日常操作、贮存、传递、测试过程中容易因静电放电而引起损伤的器件称为静电敏感器件。 常见静电敏感器件,IC（集成电路） V.MOS及MOS（场效应管） Vs(
7、可控硅） 晶体管（三极管、二极管） 光电耦合器 晶振 等,18,静电放电敏感度级别,静电放电敏感度级别：是建立静电安全作业区的依据，是指电子元器件、组件和设备按照静电放电敏感度试验方法测出的其对静电放电损坏的敏感度而进行的分级。 静电放电敏感电子元器件分类,19,ESD防护基础知识培训,第二部分 ESD防护技术,20,ESD防护的必要性,由于器件集成度的不断提高，电路密集度更高，致使其耐击穿电压愈来愈低。 静电在电子工业中被称为“看不见的敌人，无处不在的杀手”。 一般情况下，几千伏的静电电压不易被人体感知，人体能感觉到静电电击时的静电电压一般在3KV4KV以上，在5KV以上静电电压才能看到静电
8、放电火花，然而一般器件可能早已损坏。 对静电的防护主要应致力于防患于未然，对ESD进行综合、系统防护。,21,人体带电电位与静电电击程度的关系,22,ESD防护的必要性,23,静电防护的目的,SMT组装过程中静电防护的根本目的是： 在元器件、组件的制造和使用过程中，通过各种防护手段，防止因静电的放电效应而产生或可能产生的损害，或将这些损害限制在最小的程度，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损害。,24,“防”防止静电场，有效抑制或减少静电荷的产生，严格控制静电源。 “泄”迅速、安全、有效地消除已经产生的静电荷，避免静电荷的积聚。 “控”对所有防静电措施的有效性进行实
9、时监控，定期检测、维护和检验。,静电防护的基本原则,25,静电的基本防护途径,.工艺控制法 .泄漏法 .静电屏蔽法 . 中和法 .整静措施,26,在每个即使细小的环节，利用一些必要的、有效的静电防护手段，选用优质的防护技术产品； 制定完善的静电防护管理规程，并切实有效地贯彻执行。,全面、综合、配套的静电防护内容,27,防静电工作区（EPA）,EPA（ESD Protected Area）是一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静电防护操作的场所。在该场地经培训的工作人员可以在具有最小的静电放电或静电场损害的情况下操作ESD敏感产品。,28,防静电工作区标记
10、,根据GJB3007-97国家军标规定：A级防静电工作区允许的对地静电电位不超过100V；B级防静电工作区是指允许的对地静电电位不超过1000V。,29,防静电工作区系统电阻的确定,静电的泄放必须“安全”，所谓“安全性”是指无论对元器件，还是人身都必须保证绝对的安全。安全性有两个指标：一是静电电压必须在1秒钟内降至100V；二是放电电流不能高于5mA。因此静电防护的系统电阻选择在：106 -109 。,30,ESD防护过程控制要求,ESD防护系统失效的主要原因： 防静电设施与地的连接可能产生松动或脱落； 防静电桌面随着使用时间的延长而发生失效； 腕带损坏,或其内部出现断线而连接不可靠; 腕带的
11、佩戴不规范，如不戴、松弛、没有紧 贴皮肤。 环境因素（如湿度）未得到控制等。,31,ESD防护过程控制要求,防静电手腕带的正确佩戴是： 使用通过安全性检查的手腕带，将长度适当的松紧圈直接佩戴在手腕上，并与皮肤良好接触；接触集成电路或已贴装集成电路的PCB时将鳄鱼夹夹持在接地良好的接地端，鳄鱼夹、接地线等裸露部分不得与设备、线体、工作台等的金属件接触。 在手腕带佩戴上，禁止1)将手腕带缠绕在手腕上，而不将其接地；2)将手腕带佩戴在衣服袖口上或将其藏在防静电工作服的松紧袖口内；3)将鳄鱼夹直接夹持在设备、线体外壳上或非专用静电接地端的其它点上。,32,防静电手腕带的佩戴,33,ESD防护过程控制要
12、求,1)静电防护是一个系统工程，渗透到生产的全过程，每个环节都必须同样重视，万不可厚此薄彼。 2)防静电工程涉及的部门众多，需要相互协调、共同努力，各司其职，ESD才能得到有效控制。 3)静电防护在很大程度上是提高静电防护意识问题，提高所有接触静电敏感器件人员的静电防护意识，定期进行静电防护安全操作与静电防护技术培训是非常重要的。 4)制定完善的静电防护管理规程，实行有效的管理和监控，最大限度地减少或避免静电的危害。,34,静电防护系统的组成,完备的静电防护硬件系统包括： 人体静电防护、 环境静电防护、 操作系统静电防护、 静电保护接地、 离子风静电消除器、 静电检测及监控仪表、 防护措施的日
13、常维护。,35,人体静电防护,人体在日常活动和生产操作中可产生的电压为数十伏到数万伏的静电，而放电过程是及其短促的，所以静电放电过程中释放的能量可达几十瓦，这足以引起芯片微区烧毁或SiO2膜击穿。 因此对进入防静电工作区（包括生产、仓储、运输过程）的人员均要进行静电防护，其中首要的是配备防静电服、防静电手腕带和防静电鞋。 人体所携带的静电，一是可以通过接地良好的防静电手腕带及时泄放，另一方面防静电鞋与防静电地面的配合使用，可以及时有效地泄放人员在运动中产生的静电，减少人体所携带的静电。,36,防静电操作系统的组成,防静电操作系统是根据防静电要求，为建立保护区域和进行保护性操作所必须配置的设施和
14、工具的总称。 防静电安全工作台及防静电桌垫 防静电地垫 防静电区域警示标志 防静电元件盒（袋） 防静电周转车、周转箱 接地工具和设备 其它保护设备,37,防静电桌垫,38,防静电屏蔽袋,39,防静电屏蔽袋,40,防静电警示标志,41,防静电工作台组成,42,防静电接地,接地是将电气连接到能供给或接受大量电荷的物体上，地线是指能够接受或提供大量电荷的物质（如大地、舰船或运载工具、设备外壳等）。通常说的接地有硬接地和软接地之分： 硬接地是指直接或通过一个低阻抗同地线相连； 软接地是指通过足够高的阻抗接地，将电流限制在人身安全电流（通常为5mA）之下。 防静电系统的接地线不得接在电源零线上，也不得与
15、防雷地线共用，必须有独立可靠的接地装置，接地电阻一般应小于10。使用三相五线制供电，其大地线可以作为防静电地线（但零线、地线不得混接）。,43,绝缘体的静电消除,从静电防护的角度来看，绝缘体具有以下特点： 1)绝缘材料特别是人工合成的绝缘材料，其表面起电量大，即很容易产生静电，通常这类材料的起电量不会小于5000V(相对湿度40%)。 2)由于材料的绝缘特性，一旦产生静电，其本身几乎无放电的通路，因此静电将会长期驻留积聚，其在表面电荷积聚到一定程度后，就可能随机放电造成危害。 3)由于绝缘体的绝缘特性，造成其表面产生、积聚静电荷分布极不均匀，在同一材料表面就会形成电位差，而电位差大到一定程度就
16、会产生放电现象。 这里所指的绝缘体除绝缘材料外，还包括与大地断开的非绝缘体，如站在木凳的人、放在绝缘塑料上的铁板等。,44,离子中和法原理,离子中和法的原理是： 绝缘体表面所产生的静电荷以正、负电荷对称产生，离子中和法是使空气先发生局部电离而产生含有正、负离子的空气气流，然后用风机将气流吹向静电荷积聚区，气流中的正、负离子将遵循同性相斥、异性相吸的原理与绝缘体表面所积聚的静电荷进行中和，从而达到消除静电的目的。,45,EPA性能检查频次要求,46,常见静电防护系统所需的产品,47,防静电的主要内容,1：防静电地的埋设，这是整个防静电系统的基础与根本； 2：对地面、墙壁、天花板采取相应措施，使其具有良好的导静电性能。防静电地板是包括人体静电在内的许多静电的主要泄放通道，可靠性与耐久性是选材的主要指标； 3：工作台、工作椅的购置，合理而可靠的接地通路是这类装备的关键； 4：防静电电装用辅助设施如料架、周转箱、周转车等的选购，采用真正的防静电材料（一般为静电耗散材料）
