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1、静电放电 （ ESD） 及其防护主讲：林秀华厦门大学物理与机电工程学院内容安排0、引言1、静电的产生2、静电放电（ ESD）效应物理机制3、洁净车间、机房的静电表现4、 IC. MOS.FET.GaN LED 失效分析5、 ESD 危害与防患措施6、电子产品的静电防护7、 ESD 问题和思考0、引言 0 1 静电的基本概念 静电是一种客观的自然现象，由于电荷和电场分布而产生的； 静电现象：电荷的产生和消失过程的电现象； 物体结构分子原子； 空气中含有 100 至 500 个带电离子 /cm3 ； 地球是个巨大的电场 E130V/m，带电云层经过后 10000V/m ； 静电与日常用电的异同点。
2、 静电放电全称（ ElectroStatic Discharge ESD） ； 0 2 静电主要现象 静电力学现象：静电引力、静电排斥力。 静电感应现象：静电噪音、机器损耗、自控失灵、静电屏蔽、电路不良等。 静电放电现象：雷鸣电闪、静电噪音、电子元器件、 pn 结击穿等。0、引言（续）1、静电的产生 1 1 静电放电效应（ ESD）内因 分子原子原子核（核）感应电子（外壳）荷电性质 正电荷 负电荷不同质材 聚四氟乙烯聚乙烯聚丙烯树脂聚亚胺酯醋酸纤维硬橡胶木材棉花纸张铝丝绸铅羊毛尼龙头发云母石棉空气表一：物体摩擦带电电序表：1、静电的产生（续一） 1 2 静电放电效应（ ESD）外因 物体相对运
3、动引起（摩擦、位移、接触、冲击） 生产工艺 :挤压、切割、搅拌、过滤、喷溅、流动 生活中的行走、起立、穿脱衣服、推拉物体 雷电放电（雷云间或雷云与地面物体）1、静电的产生（续二）静电来源 湿度 10-25%RH 湿度 65-90%RH行走在地毯上 35000V 15000V行走在胶地板上 12000V 250V在工作台上操作 6000V 100V捡起塑料胶袋 20000V 1200V推动发泡胶椅子 18000V 1500V表二： ESD 的来源：2、静电放电效应物理机制 2 1 三种不同材料（导体、半导体、绝缘体）表三：性质比较：电阻率 ( cm) 静电感生电荷 表面导体 1010 产生束缚电
4、荷，电荷难以在表面重新分布2、静电放电效应物理机制（续一）0101031021011 1012 1013 1014 1015带电倾向体电阻 cm图一：带电体电位 VS 体电阻2、静电放电效应物理机制（续二） 2 2 电子、半导体荷电起源 半导体器件制程工艺都在表面上进行（切磨抛、清洗、氧化、光刻、蒸发、烧结、光刻、钝化、划片、测试）制备芯片； 电子产品装配中：传送带、风冷热气流、毛刷刷灰尘、气枪、冲床、气压电动钻孔、锁镙丝、装包装袋、摩擦、剥商标纸等。2、静电放电效应物理机制（续三）表四：不同半导体材料物理性能差异半导体 器件 电阻率(cm) 导热系数W/cmK 散热性 抗静电电压 (V)硅
5、二极、三极管 IC电路 10-2 102（掺杂） 1.5 较好 600碳化硅 红色 LED 105 106（不掺杂） 4.9 好 1000蓝宝石 绿蓝白 LED衬底 106 0.49 较差 5002、静电放电效应物理机制（续四） 2 3 雷云与闪电，全球每秒有 100到 300次闪电发生地球（ 0伏）电离层（ 400000伏）大气电流正电荷注入到电离层雷雨云3、洁净车间、机房的静电表现 3 1 电子、半导体车间用具、装置的要求 电子、半导体车间环境 地面、墙壁、工作台、传送带等 电子、半导体车间用具的要求 椅子、风扇、装料盒、各种工具等 电子测量、计量设备装置的要求3、洁净车间、机房的静电表现
6、（续） 3 2 电子计算机房 组成：设备、磁盘、软盘、打印机、配电盘等 特点：防尘、防湿、恒温、净化、防静电 要求：环境清洁度越高，湿度小于 50%，环境（地面、工作台、凳子、机台、外围设备等）尤其容易产生 ESD4、 IC. MOS.FET.GaN LED失效分析 4 1 失效主要起因 CMOS “栅”层薄， VLIC 集成化密度高、线宽窄、间距小、易静电放电； InGaN 绿、蓝芯片结构是量子阱、厚度十几 nm，尤其受静电放电击穿使 pn 结破坏，绿蓝 LED 失效； PCB、电子线路间距小至几十微米，尘埃大于 10微米，被吸附后容易造成短路放电。4、 IC. MOS.FET.GaN LE
7、D失效分析 （续）器件类型 ESD电压值（ V） 器件类型 ESD电压值（ V）VMOS 30-1800 运算放大器 190-2500MOSFET 100-200 STTL 300-2500GaAsFET 100-300 DTL 380-7000PROM 100 肖特基二极管 300-3000CMOS 250-2000 双极型二极管 380-7000HMOS 50-500 石英压电晶体 10000表五：半导体器件 ESD 敏感电压值4、 IC. MOS.FET.GaN LED失效分析 （续） 4 2 ESD 放电模式 自然界放电模式 电子从一块云跑到另外一块云上，从天空到地面即放电 人体放电模
8、式 （ HBM） 人体走动累积静电与器件、 PCB接触在极短时间内放电 机器放电模式 （ MM） 自动化、机械化设备长期使用，积累电荷，便产生 ESD 元件充电模式 （ CDM） 半导体元器件碰到接地表面，芯片上静电荷接触瞬间放电 电场感应模式 （ FIM） 器件触于外电场环境，感应电荷类类追认 CDM模式放电4、 IC. MOS.FET.GaN LED失效分析 （续） 4 2 ESD 放电表现形式静电放电（ ESD）引起器件失效 电压式击穿 （串联式元器件与 LED） 引起器件或 PN 结短路 功率式击穿 （并联式元器件与 LED） 器件或 PN 结烧断 5 1 ESD 放电危害表现 静电库
9、仑力作用 静电放电 毁坏损伤元器件、向周围发射电磁波、电击人体（带电体电压超过3KV 时，有电击感觉；超过 6KV 时，人有强烈的痛感） ESD 造成辐射电磁场、突波噪音 感应带电 若感应物体是导体时，会引起火花放电5、 ESD 危害与防患措施5、 ESD 危害与防患措施（续一）危害原因危害种类 危 害 程 度 举 例放电作用爆炸及火灾液体、粉尘、气体或蒸气爆炸或起火汽油、煤油、酒精、苯有机溶济金属粉末、药品粉末、树脂粉末易燃液体的蒸气或气体起火或爆炸人身伤害使人电击或因电击引起的二次伤害SMD 实装机，橡胶厂压延机电击引起的坠落或摔伤妨碍生产敏感元件失灵或继电器误动作自动化设备瘫痪、计算机工
10、作失常，胶片质量下降、电子产品劣化力学作用妨碍生产吸附尘埃，电器短路器件劣化 IC 破坏影响光刻、 PCB 加工、化工生产、胶片制造、电子元器件装配表六：静电危害一览表5、 ESD 危害与防患措施（续二）类别影响人体阻抗的条件 接 触 状 态电压(V)电流(mA) 干燥的皮肤或有汗潮湿的皮肤 住宅、办公室、工厂、会议室、礼堂等场所，单手触及电器设备到双脚间 50 50 被水浸湿的皮肤在涵洞、矿井、隧道，高潮湿场所，手抓电器，双脚立于潮湿地板时皮肤阻抗 50025 50 皮肤浸在水里 游泳池、水槽或水池中身体浸水，仅人体内部阻抗 500 5 10表七：人体阻抗和允许接触电压、电流5、 ESD 危
11、害与防患措施（续三） 5 2 操作者防患规范 生产线上尽量减少接触（ ESD）敏感器件的次数与人数； 限制车间人员不必要的走动、搬椅子、移木板、纸箱； 包装少用绝缘袋，必须用抗 ESD 特殊材料包装袋、盒、箱、盘等； 装配 IC、 ESD 敏感器件应戴抗静电手套、手环； 必须用手接触器件时，只接触管壳，而避免接触器件的引出端； 接触器件前应将手或工具接“地”一下；烙铁要求永久性接地； 不穿容易产生静电的工作服；工作环境相对湿度应保持大于 50%5、 ESD 危害与 防患措施 （续四） 5 3 车间 ESD 环境要求 工作环境 地面 工作台、凳子 工作服、工作鞋、防静电手环 测试机台 包装5、
12、ESD 危害与 防患措施 （续五） 5 4 静电的消除 增加空气湿度（加湿器） 局部静电处理（使用交流磁场、喷涂 ESD 涂料） 离子中和法：在静电电荷密集处引入带电离子 离子流中和（离子风扇） 放射性中和 感应中和（高、低压）5、 ESD 危害与防患措施（续六）图二：感应中和器原理图（低压）高压电源图三：感应中和器原理图（高压）5、 ESD 危害与防患措施（续七） 5 5 防静电设计 生产车间或厂房环境设计 元件和整机防静电设计 ESD 敏感器件的防静电保护 电子线路防静电电路保护 注意机台、设备装置必要的接地和接零6、 电子产品的静电防护 6 1 静电放电的模式 6 2 静电放电的测试 绝
13、对漏电流法 相对 I-V 漂移法 功能观测法 表面电阻测量法6、 电子产品的静电防护（续一） 6 3 防静电的对策 阻止静电放电现象 阻止二次放电 阻止直接传导 阻止放电电流的电磁场造成的耦合 阻止静电放电造成的辐射电磁场 防止偶发的突波噪声所造成的干扰6、 电子产品的静电防护（续二） 6 4 防静电保护电路设计与分析 保护电路对 ESD 作用时间应该很短，发生作用时，截止电压越低越好； 当电压过载时电阻要大，漏电流要小，电容要小； 电路保护分为一级保护和二级保护； 保护电路参考：电路端口保护（注意电容效应） 二级保护电路，输入保护电路，输出保护电路 。6、 电子产品的静电防护（续三）第一级保护输入讯号绝缘电阻第二级保护 保护端图四：二级 ESD 保护电路设计方块图6、 电子产品的静电防护（续四） 6 5 雷电感应防护 防静电感应产生高压； 接地电阻 5-10 防电磁感应； 接地电阻 5 防雷电入侵 加装避雷器接地7、 ESD 问题和思考1、静电成因与放电模式有几种？2、静电的危害表现在哪些方面？3、防静电有哪些相应的措施？4、如何防止雷电入侵造成设备仪器损坏？5、保护接地和接零的基本原理？谢 谢！
