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1、ESD基本概念及防護原理ESD種子講師培訓系列教材之QC2010.082一、ESD相關基本概念大綱1.電的分類及靜電的定義2.靜電的產生3.靜電場4.各種材料的劃分5.靜電感應與屏蔽3電的分類及靜電基本概念一、電的基本形態：1）不流動的處於相對穩定狀態的電荷2）在恒定不變的電場中作定向運動的電荷3）在周期性變化的電場中作周期性變化的運動的電荷二、靜電相關的基本概念1）靜電：處於相對穩定狀態的電荷，由其所引起的磁場效應相對於電場 效應可忽略不計。2）靜電放電（ESD，Electro-Static Discharge）：由於電位不同，電荷 在兩個物體間的轉移3）靜電放電防護區域（ESD Prote
2、cted Area）：采用各種防靜電材料物 品、能夠限制靜電的積累並且具有確定邊界的區域。4靜電的產生方式一、摩擦起電兩個物體摩擦后形成偶電層，分別帶上等值異號電荷的過程。二、電場感應帶電由於電場的作用，在物體上出現電荷的過程。三、剝離起電緊密接觸的物體剝離時，由於電荷的分離而使物體帶電的過程四、熱電效應起電由於熱效應而導致物體上電荷重新分布的過程五、壓電效應起電某些材料在機械力作用下產生電荷的過程六、光致起電由於光的作用而引起電荷重新分布的過程接觸分離摩擦起電A）靜電場中的 料件B）第一次接地C）出現多餘靜 電荷D）第二次接地感應起 電5靜電場簡介一、電場定義：存在於電荷周圍的一種彌漫于空間
3、的特殊形態的物質。電場具有能量， 並且能和其他形式的能力相互轉化。二、電場相關的物理參數：1）電場強度：單位正電荷在電場中某點受到的力記為該點的電場強度E=F/QE：電場強度（V/m） F：電場中實驗正電荷所受到的力 Q：實 驗正電荷的電量2）靜電電位：電場中某點與參考點之間的電勢差，一般選擇大地作為零 電勢參考點。通常所說的靜電電壓即是指測試點相對於大地的電勢。3）靜電電壓：電場中兩點之間的電勢差Uab=ELUab：靜電電壓 E：電場強度（V/m） L：a點與b點之間的距離6靜電防護領域的材料分類一、導靜電材料能夠迅速地消散和泄露電荷使其消失的材料，表面電阻或體積電阻小於 1104。二、靜電
4、消散材料由於靜電中和、泄露或放電而可以使電荷全部或部分消失的材料，表面 電阻大於或等於1104且小於11011三、靜電絕緣材料不能消散或泄露電荷的材料，體積或表面電阻大於或等於11011五、靜電屏蔽材料能夠防止靜電場穿過或通過的材料，表面電阻或體積電阻小於1103六、抗靜電材料具有防止摩擦起電性質的材料7靜電感應與靜電屏蔽一、靜電感應處於靜電場中的導體，其表面不同部位感應出不同電荷或導體上電荷重 新分布的現象。二、靜電屏蔽放入靜電場中的空腔導體在達到靜電平衡時，空腔內電場強度處處為零 的現象。8二、電子工業中靜電問題大綱1.靜電效應及器件ESD損傷類型2.電子工業中靜電損壞實例3.生產環境中的
5、靜電源9靜電效應及ESD損傷類型一、靜電效應：1）電場力：處於電場中的電荷將受到力的作用F=EqE：電場強度（V/m） q：電荷量 F：電荷所受到的電場力2）靜電放電：當某些電介質或導體帶上靜電后，由於自身對地電容較小 ，使得靜電電位較高，當接觸到電位不同的物體時就會形成靜電放電 ，當靜電電位達到空氣擊穿閥值時就可向空氣放電。通過實驗得知， 瞬間放電電流可達到幾安培甚至幾十安培。二、靜電損傷1）得益於高科技的發展，現代大規模集成電路芯片間線寬已達到0.1m ，一顆直徑幾微米的塵埃如果吸附在芯片上即可造成十幾根芯線間絕 緣強度降低，使芯片漏電流增大，使用壽命縮短，甚至造成短路是芯 片損壞。10靜
6、電效應及ESD損傷類型2）靜電放電可使集成電路芯片介質擊穿、芯線熔斷、漏電流增大等現象 ，導致老化加速，電性能參數改變。三、靜電損傷的類型：1）潛在效應：某些ESD損傷使電路的參數退化并不明顯，只是給電路留 下了隱患，在以後的加電過程中，參數退化逐漸加重。2）突發效應：器件的一個或多個電參數突然劣化，完全失去規定的功能 。常見的有開路、短路、以及電參數嚴重漂移。11靜電損壞實例一、美國統計，電子工業部門每年因靜電危害損壞電子元件的損失高達 100億美元 二、日本電子元件的不合格品中，45是靜電放電所造成 三、石化工業，美國從1960年到1975年由於靜電引起的火災爆炸事故達 116起 PS：靜
7、電放電引起火災原理：當帶電體與不帶電或靜電電位較低的物體 接近時，會發生放電現象，這種放電能量達到或超過周圍可燃物最小 著火能量時就會引起燃燒或爆炸。 12生產環境中的靜電源13三、靜電防護原理大綱1.靜電耗散及泄露2.靜電中和3.靜電屏蔽4.電子產品內部防護電路5.環境增濕14靜電耗散及泄露一、靜電消散原理：使用靜電消散材料製備生產用品，當由於某種原因 靜電在生產用品上積累時，由於靜電消散使得靜電不能在某個區域積 累，從而降低單位面積的靜電電量以及靜電電位，防止靜電放電的發 生。二、靜電泄露定義：帶電體上的電荷通過其內部或表面等途徑而全部或 部分消失的現象，最常見的靜電泄露實例就是接地。通常
8、情況下是靜電消散與靜電泄露措施同時使用PS：接地分為軟接地與硬接地，軟接地：通過限流電阻將需接地的物品 連接到大地電極的方式，目的是防止人員觸電；硬接地：將需接地的 物品與大地電極直接做導電性連接的方式。人體安全電流：5mA，以工業 用電380V計算，限流電阻 =380/0.005=7.6104，實際中 使用1M的限流電阻，比如手 環15靜電中和一、靜電中和定義：帶電體上的電荷預期內部或外部異號電荷複合而使 電荷全部或部分消失的現象。最常見的是離子風扇。二、不是所有的生產用品都可以用接地來消除靜電，比如絕緣體，由於 本身對電荷的束縛能力太大，即使接地，絕緣體上的電荷也不會傳導 到大地上去。針對
9、生產中必須使用的高靜電材料時就要采用離子風扇 來消除靜電，比如有些IC料件的封裝材料、PCB板材料。離子風扇由三部分組成：風扇、放電 針、高巖整流器。高巖整流器將普通 220V/380V電壓變成高壓，施加在放 電針上，通過尖端放電原理放電針上 有電荷產生，利用風扇吹到帶電物體 表面。16靜電屏蔽一、主動屏蔽：使用一個完全封閉的殼體將靜電場封閉在殼體內二、被動屏蔽：使用完全封閉的殼體將靜電場封閉在殼體外三、主動屏蔽與被動屏蔽的區別：主動屏蔽必須接地才能使屏蔽體上的 電荷泄露掉，以使外界電路不受殼體內靜電場的影響。PS：靜電屏蔽是很多儀錶電路的防靜電干擾措施之一。17一、防護原理：电子系统的连接器
10、或端口处放置ESD保护元件，使得电流流经保护元件， 且不流经敏感元件，以维持敏感元件的低电压，使其免受ESD应力影响，进入有效控制 ESD事件的发生。常見的ESD保護元件有壓敏電阻、聚合物和瞬态电压抑制器(TVS)等 。ESD保護電路示意圖：二、壓敏電阻與瞬態電壓抑制器的區別：1）TVS采用二极管工作原理，受到电击后，会立即击穿，然后关闭，对器件没有损伤，因 此可以说没有寿命限制。2）压敏电阻采用的是物理吸收原理，每经过一次ESD事件，材料就会受到一定的物理损伤 ，形成无法恢复的漏电通道；而且，要达到更好的吸收效果，就要使用更多的材料，使 其体积增加，进而限制了在今天小型化产品当中的应用。 電子產品內部ESD防護電路壓敏電阻少林功夫 硬扛 TVS 太極拳四兩 撥千斤外部應力電子系統集成電路 輸入電壓信號線保護元件接地典型的ESD保護元件應用電路圖18環境增濕一、原理：環境相對濕度增加，則非導體材料表面電阻減小，使物體表 面積蓄的靜電荷可以更快地泄露。PS：對於沒有靜電泄露途徑的帶靜電絕緣體、導體、表面疏水性的介質 （如聚四氟乙烯、純滌綸）等作增濕是無效的。90%90%相對濕度下紙的表面電相對濕度下紙的表面電 阻在阻在1101109 9左右，同樣的左右，同樣的 紙放置在紙放置在40%40%的環境中，表的環境中，表 面電阻可達面電阻可達110110111119THE END！
