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1、静电放电（ESD）及防护,刘清松,深圳市亨达洋静电技术有限公司,目录,一 术语及定义 二 静电的产生1. 静电现象2. 静电的产生主要有三种方式： 1.摩擦; 2.感应; 3.传导 三 静电对电子工业的影响1. 静电对电子元件的影响2. 半导体器件静电击穿及其规律 四. ESD三种型式1. 人体型式2. 微电子器件带电型式3. 场感应型式 五. 静电防护: 1. 接地 2. 屏蔽 3. 中和 六. 防静电产品 防静电的一般工艺规程要求,术语及定义,1.静电ELECTROSTATIC DISCHARGE物体表面过剩或不足的静止的电荷 2.静电场：静电在其周围形成电场 3.静电放电ELECTROS
2、TATIC DISCHARGE（ESD）两个具有不同静电电位的物体，由于直接接触或静电场感应引起两物体间的静电电荷的转移。静电电场的能量达到一定程度后，击穿其间介质而进行放电现象。 4.静电敏感度（ELECTROSTATIC SUSCEPTIVITY）元器件所能承受的静电放电电压,5.静电敏感器STATIC SENSITIVITY DEVICE （SSD）对静电放电敏感的器件 6.接地电气连接到能供给或接受大量电荷的物体，如大地，船等. 7.中和NEUTRALIZATION利用异性电荷使静电消失 8.防静电工作区STATIC SAFE AREA配备各种防静电设备和器材，能限制静电电 位，具有明
3、确的区域界限和专门标记的适于从事静电防护操作的工作场地,9，电容（C）电容为一物体能够储藏多少电荷，或两带等量异性电荷物体间可容忍的电位差的特有参数。若物体上的电荷过多，则会对地（或空气）泄漏。如云层内的静电过多，则会有闪电现象。若两物体间的电位差过大，则一物体上的电荷会穿破中间的障碍，跑到低电位的物体上。,二.静电的产生,1.摩擦 2.感应 3.传导,一)静电现象,静电现象是日常生活中普遍遇到的物理现象，大至雷电，小至摩擦生电，等等,1.摩擦,任何物质都是由原子组合而成，而原子的基本结构为质子,中子及电子。在正常情况下，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。当
4、物体表面的分子带有电荷或被极化时，造成电子分布的不平衡，带电现象就产生了.,图1,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，而产生静电的最普通方法，就是摩擦生电。摩擦是产生静电的主要途径，任何一种材料：固体，气体或液体，不管它是导体还是绝缘体，都可能摩擦带电，带电量的大小和极性，取决于这两种材料本身的特性和其它因素的影响，在日常生活中,所感知的都是绝体带静电,而金属材料很少带静电,这是由于绝缘体电子不活泼,产生的静电不易走,故残留静电很高,而金属导电良好,所产生的静电可以通过很多途径泄放掉,故残留静电很少.按照材料受摩擦后产生正电或负电的可能性。,静电摩擦生电排序如下:,
5、正极性 负极性 空人玻云人尼羊铅纸棉钢木硬镍黄金纤聚聚聚聚聚特 气手璃母类龙毛 张花 材橡和金和维脂氨乙丙 氟头 胶铜和铂和 脂烯烯乙龙发 银 人 烯 烯造丝,表中左端材料将带正电，右端的材料将带负电，材料的绝缘性越好，越容易是使用摩擦生电，有机玻璃（PLEXIGLAS）和特氟石（TEFLON）这样的非导电体，很容易带电，它们能产生大量的静电荷，有时甚至高达25000伏。另外，任何两种不同物质的物体接触后再分离，也能产生静电；只要有能量变化的情况下，如：压电、热电、断裂、电解、喷射、温度变化、气压变化等能量变化，只要其能量变化大于其物质的功函数（功函数等于电子从该物质中跳出来所必须的最小能量，
6、一般只有几个电子伏特）就有可能产生静电。,2.感应,针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如将其置于一电场中，由于同性相斥，异性相吸，正，负离子就会转移，如图，此时接地，物体B中的正电荷就会与大地的负电荷中和，再断开接地，问题B就会带负电荷。,图2,3.传导,三.静电对电子工业的影响,由于科技进步，电子行业产品采用了大量大规模集成电路，而电子技术的发展，使这些集成电路可朝着更小体积，更多功能，更为可靠的方向发展。这些元器件已成为目前电子工业的基本要求，但是这类元器件的特性是线路间距小。线路面积小。但同时也因为线路缩小，耐压降低，线路面积减小，使得器件耐静电冲击能力的减弱，静电电场（St
7、atic Electric Field）和静电电流（ESD current）成为这些高密度元器件的致命杀手。同时大量的塑料制品等高绝缘材料的普遍应用，导致产生静电的机会大增。日常生活中如走动，空气流动，搬运等都能产生静电，各种活动的所产生的静电强度因环境的不同而有相当的变化。,DRAM电路参数的演变,日常生活中各种行为所产生的静电,上表是MR.OWEN.J.MCATEER在1979年7月发表的电子工业工作人员日常工作所产生的静电强度。 静电电量不大，为什么又会产生如此高的静电电压？这是由于带电体自身对大地分布电容非常小，据Q=VC，即可知其电压大小。如果其静电电荷集中在一点，由于电容变小，电压
8、就会增大，当达到一定程度，就会放电。,静电敏感的电子元件,人们一般认为只有CMOS类的晶片才对静电敏感，实际上，集成度高的元器件电路都很敏感。1980年，NEPCON/WEST的报告中指出，各类晶片受到静电破坏的电压表3所示：,各类晶片受到静电破坏的电压值,静电对电子产品的影响,静电的基本物理特征为： A.吸引或排斥的力量（吸尘） B.与大地间有电位差（场击穿） C.会产生放电电流 （热熔断） D.放电产生电磁场（电磁干扰）,这四种特性，既可能对电子元件造成：A）元件吸附灰尘，改变线路间的阻抗，影响元件的功能与寿命。（一般情况下，物体产生的静电，其静电力可达每平方米1/2牛顿）B）因电场或电流
9、破坏元件的绝缘或导体，使元件不能工作（或完全破坏）C）因瞬间的电场或电流产生的热，元件受伤(热熔)，虽仍能工作，但寿命受损。D）电磁干扰影响功能,ESD引起的典型金属门短路,一般器件绝缘栅SIO2 薄膜的耐压场强是 E=(5-10)x106V/cm,如器 件膜厚取1000,两输入脚 施加50-100V静电压就将 会被激穿,半导体在静电放电下被破坏,这三种情况中，如果元件全然破坏，易被察觉而排除，影响较小，如果元件轻微受损，在正常测试下不易发现，甚至已在使用时，才发现破坏，不但检查不易，而且其损失亦难以预测。最近的研究结果表明：静电放电还能造成比降低整个生产量更严重的问题，任何部件测试时，可能并
10、没有发现由于静电放电所造成的器件残次，如果在后装配工序发现器件失效，将导致返工，或更换器件造成的成本增加。但是，一但器件在工作现场失效，其修理或更换的费用，就会比制造阶段所发现问题并解决所需的费用多花100倍以上。,静电损伤的5个特点,1.隐蔽性 2.潜伏性 3.随机性 4.复杂性 5.严重性,1.隐蔽性,人体不能直接感知静电，除非发生静电放电，但发生静电放电，人体也不一定能有电击的感觉。这是因为人体感知的静电放电电压为2-3KV，产生火花的电压5-8KV，产生响声的电压8-10KV。,人体带电和电击感应程度的关系,2.潜伏性,有些电子元器件受到静电损伤后性能没有明显的下降，但多次累加放电会给
11、器件造成潜伏性内伤而形成隐患，而且增加了器件对静电的敏感性。已产生的问题并无任何方法可治愈。,3.随机性,电子元件什么情况下会遭受到静电破坏呢？可以这么说，从一个元件生产中一直到它损坏以前所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机性。由于静电的产生和放电都是瞬间发生的，及难预测、感知和防护。,4.复杂性,静电放电损伤分析工作，因电子产品的精细，微小的结构特点而费时、费事、费钱，要求较复杂的技术，往往需要使用扫描电镜等精密仪器，即使如此有些静电损伤现象也 难以与其他原因造成的损伤加以区别，使人误把静电损伤失效当作其它失效，这是对静电放电损害未充分认识之前，常常归咎于早期失效或情况不明
12、的失效 ，从而不自觉的掩盖了失效的真正原因。,5.严重性,ESD问题表面上看来只影响了制成品的厂家，但实际上亦影响了各层次的制造商，如：保用费、维修及公司的声誉等等。,四.ESD三种型式,人体型式（HBM） 微电子器件带电型式（CDM） 场感应型式 其它还有：机器模式、场增强模型、人体金属模型、电容耦合模型、悬浮器件模型。,1.人体型式,即指当人体活动时身体和衣服、衣服和衣服之间的摩擦产生摩擦电荷。当人们手持ESD敏感的装置而不先拽放电荷到地，摩擦电荷将会移向ESD敏感的装置而造成损坏。放电脉冲电流可达1A,上升沿小于10纳秒.,表5人体带电能量与逻辑电路动作能量,2微电子器件带电型式,微电子
13、器件带电型式 既指这些ESD敏感的装置，尤其对朔料件，当在自动化生产过程中，会产生摩擦电荷，而这些摩擦电荷通过低电阻的线路非常迅速地泻放到高度导电的牢固接地表面，因此造成损坏；或者通过感应使ESD敏感的装置的金属部分带电而造成损坏。微电子器件带电型式放电脉冲电流可达13A,上升沿小于1纳秒.,3场感类型式,场感类型式 即有强电场围绕，这可能来之于塑性材料或人的衣服，会发生电子转化跨过氧化层。若电位差超过氧化层的介电常数，侧会产生电弧以破坏氧化层，其结果为短路。（参考半导体器件静电击穿及其规律附1）,五.静电防护,1. 接地 2.屏蔽 3.中和 4.增湿 5.ESDS器件保护网络,静电防护的意义
14、,1，减少损失（美国：USD200亿） 2，提高产品质量和可靠性 3，提高生产效率 4，回报比达1：95以上,电子工业那些过程会产生静电危害,元件制造过程：切割、接线、检验 印刷电路板生产过程：插入、焊接、包装 设备制造过程：储存、装配 设备使用过程：安装、试验 设备维修过程：拆卸、检查从元件的制造、使用到维修的任一环节，静电已成为电子工业的隐形的致命杀手。,1.接地,接地就是直接将静电过一条线的连接泄放到大地，这是防静电措施中最直接最有效的，对于导体通常用接地的方法，如人工带防静电手腕带及工作台面接地等。接地通过以下方法实施：1.人体通过手腕带接地2.人体通过防静电鞋（或鞋带）和防静电地板接
15、地3.工作台面接地4.测试仪器，工具夹，烙铁接地5.防静电地板，地垫接地6.防静电转运车，箱，架尽可能接地7.防静电椅接地,3种防静电材料,1）导（静）电性材料：表面电阻为104-6 摩擦不会残留静电，静电泄放时间小，具有一定的屏蔽作用 2）消散性材料：表面电阻为106-9 静电泄放时间适中，主要用于直接与静电敏感元件接触的地方。 3）抗静电（难起静电）材料：表面电阻为109-11 摩擦残留静电不高，一般小于100V，静电泄放时间大，主要用于对静电不太敏感的元件的场所。静电泄放时间和电阻的关系：假设静电泄放时间为1S，安全静电电压V（t）=100V，人体对地电容C=100PF，人体或器件静电电压V0=1500V，根据：V（t）= V0e-1/RC R=2.7X1010,2.静电屏蔽,静电敏感元件在储存或运输过程中会暴露于有静电的区域中，用静电屏蔽的方法可削弱外界静电对电子元件的影响，最通常的方法是用静电屏蔽袋和防静电周转箱作为保护。另外防静电衣对人体的衣服具有一定的屏蔽作用。经研究结果显示，一个导电容器其体积电阻小于500m，表面电阻小于1万/SQ的条件下，如果外有一个5000V静电场接近该容器时，由示波器测得容器内的电压，如右图,
