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1、2019/1/14,1,电子元器件防静电放电 （ESD）损伤技术,2019/1/14,2,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.1 静电和静电放电的定义和特点,什么是静电？通俗地来说，静电就是静止不动的电荷。它一般存在于物体的表面。是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果。静电是通过电子或离子转移而形成的。静电可由物质的接触和分离、静电感应、介质极化和带电微粒的附着等物理过程而产生。,2019/1/14,3,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.1 静电和静电放电的定义和特点,什么是静电放电呢？处于不同静电电位的两个物体间的静电电荷的转移就是静电放电。这种转移的方式有多种，如接触放电、空气放电。
2、一般来说，静电只有在发生静电放电时，才会对元器件造成伤害和损伤。如人体带电时只有接触金属物体、或与他人握手时才会有电击的感觉。,2019/1/14,4,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.1 静电和静电放电的定义和特点,对电子元器件来说，静电放电（ESD）是广义的过电应力的一种。广义的过电应力是指元器件承受的电流或电压应力超过其充许的最大范围。 三种过电应力现象的特点比较，见表1.1。,2019/1/14,5,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.1 静电和静电放电的定义和特点,表1.1 三种过电应力现象的特点比较,2019/1/14,6,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.2 对静电认识
3、的发展历史,人类对静电放电危害的认识也是经历了一段漫长的历史，电子行业认识到ESD的危害也是最近几十年。 ESO/ESD也许是当今电子制造行业最主要的失效机理。,2019/1/14,7,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.3 静电的产生,通常物体保持电中性状态，这是由于它所具有的正负电荷量相等的缘故。如果两种不同的材料的物体因直接接触或静电感应而导致相互间电荷的转移，使之存在过剩电荷，这样就产生了静电。 带有静电电荷的物体之间或者它们与地之间有一定的电势差，称之为静电势。,2019/1/14,8,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.3 静电的产生,静电产生的主要两种形式： 摩擦产生静电 感
4、应产生静电,2019/1/14,9,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.3.1 摩擦产生静电,产生：两种物体直接接触后形成的，通常发生于绝缘体与绝缘体之间或者绝缘体与导体之间。,- - -,+ + +,- - -,+ + +,绝缘体,A、摩擦生电,绝缘体,2019/1/14,10,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.3.1 摩擦产生静电,当两各具有不同的电子化学势或费米能级的材料相互接触时，电子将从化学势高的材料向化学势低的材料转移。当接触后又快速分离时，总有部分转移出来的电子来不及返回到它们原来所在的材料，从而使化学势低的材料因电子过剩而带负电，化学势高的材料因电子不足而带正电。,201
5、9/1/14,11,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.3.1 摩擦产生静电,摩擦产生静电的大小除了与摩擦物体本身的材料性质有关之外，还要受到许多因素的影响，如环境的湿度、摩擦的面积、分离速度、接触压力、表面洁净度等。,2019/1/14,12,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.3 .2 感应产生静电,产生：带电物体与导体之间，两种物体无需直接接触。,+ + +,+ + +,带电体,B、感应生电,导体,+ + +,+ + +,+ + +,2019/1/14,13,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.3.2 感应产生静电,显然，非导体不能通过感应产生静电。,2019/1/14,14,电子
6、元器件抗ESD损伤的基础知识,1.3.3 静电荷,静电的实质是存在剩余电荷。电荷是所有的有关静电现象本质方面的物理量。电位、电场、电流等有关的量都是由于电荷的存在或电荷的移动而产生的物理量。 电量用Q表示，单位是库仑C，由于库仑的单位太大通常用微库或纳库。 1库仑（C）=1.0E+06微库（C） 1库仑（C）=1.0E+13纳库（C）,2019/1/14,15,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.3.4 静电势,静电势与叫静电电压。实际环境中产生的静电电压通常是指带电体与大地之间的电位差。 通常把静电带电体与另一个物体或大地看成一个电容器。电容器的电容量是C，电容器一个电极上的电荷量Q和电容
7、器两个极间的电位差V之间有如下关系：,2019/1/14,16,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.3.4 静电势,V=Q/C （1.1） 将1.1中的电容等效成平板电容器，其电容量C可表示为C=A X/d （1.2） A为电容器面积、为两板之间物质的介电常数，d为两板之间的距离，将(1.2)带入（1.1)得： V=Q X d / A X,2019/1/14,17,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.3.5 影响静电产生和大小的因素,静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓度有密切的关系。在高湿度环境中由于物体表面吸咐有一定数量杂质离子的水分子，形成弱导电的湿气薄层，提高了绝缘体的表面
8、电导率，可将静电荷散逸到整个材料的表面，从而使静电势降低。,2019/1/14,18,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.4 静电的来源,在电子制造业中，静电的来源是多方面的，如人体、塑料制品、有关的仪器设备以及电子元器件本身。,2019/1/14,19,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.4.1 人体静电,人体是最重要的静电源，这主要有三个方面的原因。其一，人体接触面广，活动范围大，很容易与带有静电荷的物体接触或摩擦而带电，同时也有许多机会将人体自身所带的电荷转移到器件或者通过器件放电。其二，人体与大地之间的电容低，故少量的人体静电荷即可导致很高的静电势。其三，人体的电阻较低，相当于良导
9、体，故人体处于静电场中也容易感应起电，而且人体某一部分带电即可造成全身带电。,2019/1/14,20,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.4.1 人体静电,影响人体静电的因素十分复杂，主要体现在以下几个方面： 1、人体静电与人体接触的环境以及活动方式有关； 2、人体静电与环境湿度有关，湿度越低则静电势越高； 3、人体静电与所着衣物和鞋帽的材料有关，化纤和塑料制品较之棉制品更容易产生静电。 4、人体静电与个体人的体质有关，主要表现在人体等效电容与等效电阻上。 5、人体静电与人的操作速度有关，操作速度越快，人体静电势越高。 6、人体各部位所带的静电电荷不是均等的，一般认为手腕侧的静电势最高。,
10、2019/1/14,21,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.4.2 仪器和设备的静电,仪器和设备也会由于摩擦或静电感应而带上静电。,2019/1/14,22,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.4.3 器件本身有静电,电子元器件的外壳（主要指陶瓷、玻璃和塑料封装管壳）与绝缘材料相互摩擦，也会产生静电。,2019/1/14,23,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.4.4 其它静电来源,在电子元器件的制造、安装、传递、运输、试验、储存、测量和调试等过程中，会遇到各种各样的由绝缘材料制成的物品。这些物品相互摩擦或与人体摩擦都会产生很高的静电势。,2019/1/14,24,电子元器件抗ESD
11、损伤的基础知识,1.5 静电放电的三种模式,静电对电子产品的损害有多种形式，其中最常见、危害最大的是静电放电（ESD）。通过对静电的主要来源以及实际发生的静电放电过程的研究认为，对元器件造成损伤的主要是三种模式，即带电人体的静电放电模式、带电机器的放电模式和充电器件的放电模式。,2019/1/14,25,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.5.1 带电人体的放电模式（HBM）,由于人体会与各种物体间发生接触和磨擦，又与元器件接触，所以人体易带静电，也容易对元器件造成静电损伤。普遍认为大部分元器件静电损伤是由人体静电造成的。 人体与被放电体之间的放电有两种。即接触放电和电弧放电。,2019/1
12、/14,26,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.5.2 带电机器的放电模式（MM）,机器因为摩擦或感应也会带电。带电机器通过电子元器件放电也会造成损伤。,2019/1/14,27,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.6 静电放电失效,在元器件装配、传递、试验、测试、运输和储存的过程中由于壳体与其它材料磨擦，壳体会带静电。一旦元器件引出腿接地时，壳体将通过芯体和引出腿对地放电。,2019/1/14,28,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.6.1 失效模式,电子元器件由静电放电引发的失效可为突发性失效和潜在性失效两种模式。,2019/1/14,29,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.
13、6.1 失效模式,突发性失效是指元器件受到静电放电损伤后，突然完全丧失其规定的功能，主要表现为开路、短路或参数严重漂移。 潜在性失效是指静电放电能量较低，仅在元器件内部造成轻微损伤，放电后器件电参数仍然合格或略有变化，但器件的抗过电应力能力已经明显削弱，或者使用寿命已明显缩短，再受到工作庆力或经过一段时间工作后将进一步退化，直到造成彻底失效。,2019/1/14,30,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.6.1 失效模式,在使用环境中出现的静电放电失效大多数为潜在失效。潜在失效比突发性失效具有更大的危险性，这一方面是因为潜在失效难以检测、而器件在制造和装配过程中受到的潜在静电损伤会影响它装入
14、整机后的使用寿命；另一方面，静电损伤具有积累性，即使一次静电放电未能使器件失效，多次静电损伤累积起来最终必然使之完全失效。,2019/1/14,31,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.6.2 失效机理,静电放电失效机理可分为过电压场致失效和过电流热致失效。实际元器件发生哪种失效，取决于静电放电回路的绝缘程度。,2019/1/14,32,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.6.2 失效机理,（1）电电压场致失效： 过电压场失效是指高阻抗的静电放电回路中，绝缘介质两端的电极因受了高静电放电电荷而呈现高电压，有可能使电极之间的电场超过其介质临界击穿电场，使电极之间的介质发生击穿失效。高静电电荷
15、和高电压的来源既可以是静电源直接接触放电，也可以是由于场感应而产生的。影响过压失效的主要因素是累积的静电电荷和高电压。,2019/1/14,33,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.6.2 失效机理,（2）过电流热致失效： 过电流热致失效是由于较低阻抗的放电回路中，由于静电放电电流过大使局部区域温升超过材料的熔点，导致材料发生局部熔融使元器件失效。影响过流失效的主要因素是功率密度。 物体带静电表示它有一定的能量，单位时间释放的能量是功率。通过单位面积释放的功率是功率密度。我们研究静电放电过程中释放的能量、功率和功率密度与哪些因素有关。,2019/1/14,34,电子元器件抗ESD损伤的基础知
16、识,1.6.2 失效机理,a. 静电放电过程中释放的能量 物体带静电电量为Q，它与地电位差为V，带静电物体的静电能是： E=QV （1.1） 依据（13-1）式得： E= Q2 /C （1.2） 从（1.2）式看出带静电物体的静电能与静电量的平方成正比与等效电容成反比。显然静电量越大对元器件造成ESD损伤的危险性越大。,2019/1/14,35,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.6.2 失效机理,B. 影响ESD损伤的另一个因素是放电时间的长短 静电能量大，但如果释放的时间长，功率会很小，ESD损伤的程度就小。表征放电时间的长短的参量是放电时间常数又称弛豫时间。在放电回路中有： RC。 例如对人体放电，若电容为100pF；电阻为1500，时间常数是150ns。 显然，在静电放电电量不变时，元器件的放电回路中电阻、电容越大，功率就越小，静电的损伤性就越小。,2019/1/14,36,电子元器件抗ESD损伤的基础知识,1.6.2 失效机理,C.与静电放电功率有关的因素 静电放电的峰值功率为V2/
