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1、浙江科丰电子有限公司 刘祖明 2007-31静电防护静电防护基础知识培训第一部分第一部分 静电防护基础知识静电防护基础知识2静电的基本概念：定义 静电静电：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。 简单说简单说静电就是静止的电荷。任何两个不同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。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。3
2、静电现象 在日常生活中，常见较明显的静电有：闪电；冬天在地垫上行走及接触把手时的触电感；在冬天穿衣时所产生的噼啪声；梳头时所产生的噼啪声；握手是指尖放电。这些对我们人体没有影响，但它对电子元件及电子线路板有很大的冲击。 。4静电现象 l静电电压很高，但一般并不能伤害人体的性命。l但当静电流流通整个人体时，可以让人产生被电击感。5认识静电6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。7人 体 静 电人体静电人体静电：指由于自身行动或与其它
3、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：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。 8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.静电生物效应等9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）10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
4、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211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312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
5、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413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
6、件的危害514ESD损伤的失效模式即时失效：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：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。 15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
7、、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 组成部分 元器件类型 失效机理 失效标志 MOS结构MOSFET、MOSIC等 由于电压过高引起介质击穿 短路 半导体结二极管、晶体管、可控硅等 能量集中，热二次击穿 短路 薄膜电阻 混合IC、密封薄膜电阻器 介质击穿或热量有关的微通道破坏 电阻漂移 金属化条 单片或混合IC 与焦耳热量有关的金属烧毁 开路 场效应结构 石英陶瓷封装LSI或EPROM 电荷注入绝缘材料 性能退化 压电晶体 晶振、声表面波器件 电压过量使机械压力造成晶体断裂 性能退化 近间距电极 未钝化金属、未防护半导体 电
8、弧放电使电极金属熔融或烧毁 性能退化 16静电敏感器件（SSD） 静电敏感器件：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。 常见静电敏感器件常见静电敏感器件 IC（集成电路）V.MOS及MOS（场效应管）Vs(可控硅）晶体管（三极管、二极管）光电耦合器晶振等17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静电放电敏感电子元器件分类级别静电电位(V)元器件类别级0-1999微波器件、电耦合器件、集成
9、电路等级2000-3999运算放大器、结型场效应管等级4000-15999硅整流器、片装电阻器等 16000非静电敏感产品等 18ESD防护基础知识培训第二部分第二部分 ESDESD防护技术防护技术19ESD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，对对静电的防护主要应致力于防患于未然，对ES
10、DESD进行综合、系统防护进行综合、系统防护。 20人体带电电位与静电电击程度的关系电位(伏)电击程度 备注 1000完全无感觉2000手指外侧有感觉。但不疼发出微弱的放电声2500有针触的感觉，有哆嗦感，但不疼3000有被针刺的感觉，微疼4000有被针深刺的感觉，手指微疼见到放电的微光5000从手掌到前腕感到疼指尖延伸出微光6000手指感到剧疼，后腕感到沉重7000手指和手掌感到剧疼，稍有麻木感觉8000从手掌到前腕有麻木感觉9000手腕子感到剧疼，手感到麻木沉重10000整个手感到疼，有电流过的感觉11000手指剧麻，整个手感到被强烈电击12000整个手感到被强烈地电击21ESD防护的必要
11、性静电损伤失效模式比较静电损伤失效模式比较半导体失效率的分配半导体失效率的分配22静电防护的目的SMTSMT组装过程中静电防护的根本目的是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。23“防防”防防止止静静电电场场，有效抑制或减少静电荷的产生，严格控制静电源。“泄泄”迅迅速速、安安全全、有有效效地消除已经产生的静电荷，避免静电荷的积聚。 “控控”对对所所有有防防静静电电措措施施的的有有效效性性进进行行实实时监控时
12、监控，定期检测、维护和检验。静电防护的基本原则24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 25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26防静电工作区（EPA） EPAEPA（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。27防静电工作区标记 根据GJB30
13、07-97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。 28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 。29ESD防护过程控制要求ESDESD防护系统失效的主要原因：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
14、的佩戴不规范，如不戴、松弛、没有紧 贴皮肤。环境因素（如湿度）未得到控制等。30ESD防护过程控制要求防静电手腕带的正确佩戴是：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。31防静电手腕带的佩戴32ESD防护过
15、程控制要求1)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)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)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)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。33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
16、日常维护。34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。35防静电操作系统的组成 防静电操作系统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
17、的设施和工具的总称。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36防静电桌垫37防静电屏蔽袋38防静电屏蔽袋39防静电警示标志40离子风机离子风机防静电防静电桌桌 垫垫防静电防静电工作台工作台屏蔽袋屏蔽袋防静电防静电地地 板板警示标志警示标志防静电工作椅防静电工作椅接地线接地线手腕带手腕带防静电工作台组成41防静电接地 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： 硬接地硬接地是指直接或通过一个低阻抗
18、同地线相连； 软接地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）。 42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
19、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。43离子中和法原理 离子中和法的原理是：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
20、目的。44EPA性能检查频次要求 检查频次 项目名称 检查方式 每日一次 环境温度、相对湿度 测量佩戴腕带情况下人体对地电阻 测量穿着防静电鞋、袜情况下人体对地电阻测量防静电服装穿戴情况目视 防静电手腕带或脚腕带佩戴情况目视 防静电鞋穿戴情况目视 每周一次 防静电工作台面接地情况 目视 地板、地垫接地情况 目视 系统接地情况 目视 每月一次 标记情况 目视 静电位水平 测量 工作服对地电阻和表面（点对点）电阻 测量 防静电手套、指套对地电阻 测量 离子风机静电中和能力 测量 每季度一次 工作台面对地电阻和表面（点对点）电阻 测量 地板、地垫对地电阻和表面（点对点）电阻 测量 周转容器表面（点对
21、点）电阻 测量 工作椅对地电阻和表面（点对点）电阻测量 电烙铁对地电阻 测量 存放器、小车对地电阻和表面（点对点）电阻测量 系统接地电阻 ：建成后第一年每季度一次，以后每21个月一次 测量 45常见静电防护系统所需的产品 静电防护系统类别典 型 产 品人体静电防护 防静电服装 工衣、手套、手指套、鞋（套）、帽子辅助产品 防静电椅凳、烟雾净化器环境防护 墙壁.地板等 防静电漆.PVC贴面地板.环氧树脂地坪.橡胶地板.高架地板防静电操作系统 台、垫类 防静电工作台、防静电桌垫、地垫防静电容器 防静电转运盒、防静电周转箱、L形支架贮运工具 防静电推车、防静电货架、专用货架、防静电周转车ESD包装材料
22、屏蔽袋、导电海绵、粉红色防静电气泡袋 静电消除器离子发生器离子风机、离子枪、离子炮等检测仪表检测仪器手腕带/脚腕带测试仪.表面电阻测试仪.静电场测试仪.人体静电表、静电屏蔽效果测试仪、表面阻抗表（兆欧表）其它 接地类 接地线、手腕带、脚腕带、台垫接地器等；工具类 干燥剂、镊子、吸笔、警示标志46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
23、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）制作是此类装备的品质保证；5：防静电工作服、工作鞋、手腕带、脚腕带的选购；6：静电实时监控装置的选购，这是确认接地系统是否正常有效的唯一方法，安全、方便、准确、可靠是对这类装置的基本要求；7：静电测试仪表的购置，可由于定期检查EPA局部的静电量和防静电材料的磨损状况；8：组成静电实时监控网络，实现静电控制网络化、系统化、正规化的有效手段；9：合理而严格的制度，这是保证所有硬件系统正常运作的软件保障；10：其它相关工作。47静电防护的误区1 1没有证据显示静电会损伤器件。没有证据显示静电会损伤器件。2 2生产的产品是低档
24、次，并不需要静电防护措施。生产的产品是低档次，并不需要静电防护措施。3 3工厂内所测出的静电很低，无需做防静电措施。工厂内所测出的静电很低，无需做防静电措施。4 4所用的电路有静电保护设计，无需做防护措施。所用的电路有静电保护设计，无需做防护措施。5 5所使用的芯片的静电耐压值约为所使用的芯片的静电耐压值约为10001000V V，应不需应不需 要静电防护措施。要静电防护措施。6 6静电防护措施戴手腕带。戴手腕带后就不需静电防护措施戴手腕带。戴手腕带后就不需 要防静电工作服、工作鞋。要防静电工作服、工作鞋。7 7可以用纯棉工作服代替。可以用纯棉工作服代替。8 8静电防护措施接地。静电防护措施接
25、地。9 9采用电阻率极低的金属作为防静电材料。采用电阻率极低的金属作为防静电材料。48静电防护的误区一 没有证据显示静电会损伤器件。没有证据显示静电会损伤器件。对不起，由于静电放电所表征出来的破坏并不能证明是由于静电放电直接导致，故并无明显证据。但经验上，可以从采取静电防护措施前后的合格率来显示效果，或把产品解剖，观察其破坏，排除不可能的原因，再忖测与静电的关联。49静电防护的误区二生产的产品是低档次，并不需要静电防护措施。生产的产品是低档次，并不需要静电防护措施。 除非有如下的想法： 1）产品单价很低，坏了废掉就算了； 2）产品的质量不重要，客户应知道这样的价格就只有这样的品质； 3）产品或
26、公司的形象不重要，客户购买之后而毁掉，绝对是他们自己使用不当，毋需理会。 50静电防护的误区三工厂内所测出的静电很低，无需做防静电措施。工厂内所测出的静电很低，无需做防静电措施。 物件表面静电压的反映，只与物件的电荷数量有关，但若静电荷快速地流走，所产生的瞬间电流可能很大，并造成破坏。并且若生产工序或产品更换时，工厂内的静电压则又是另一回事。51静电防护的误区四所用的电路有静电保护设计，无需做防护措施。所用的电路有静电保护设计，无需做防护措施。 静电保护电路的设计在于若有静电放电时，只能防止静电放电在产品某些部分不会造成破坏，而在产品其它没有保护的地方，静电仍然会造成损害。静电放电是随机的，并
27、没有固定的路线。 52静电防护的误区五 所所使使用用的的芯芯片片的的静静电电耐耐压压值值约约为为10001000V V，应应不不需需要要静静电电防护措施。防护措施。 静电耐压值的测量是根据一特定的静电模式来确定，通常是用人体放电模式。用这种模拟方法测试器件的ESD耐压值时，试验条件与器件的实际使用环境远非是相同的，因此用实验方法确定的器件的静电敏感度只能给出一个概略的范围，也只能供实际使用时作为参考，并不具有绝对的意义。同时所谓“静电耐压约为1000V”是说：若有一次1000V的静电放电，就会把这芯片完全破坏，但并不表示它不会被较低电压的静电弄伤，造成其失效；并且若芯片受到连串的即使是低电压的
28、静电放电冲击，最终还是会被毁掉。 53静电防护的误区六静静电电防防护护措措施施戴戴手手腕腕带带，因因此此戴戴手手腕腕带带后后不不需需要要防防静静电工作服、工作鞋。电工作服、工作鞋。操作工在生产活动中，由于服装与外界介质表面之间、服装之间、服装与皮肤之间、鞋底与地板之间由于频繁的接触分离和摩擦而使得服装与鞋子带电，特别是在穿用高绝缘性能的化纤衣料时会使带电加剧。操作工存在两个可能的放电通道：一是指尖（皮肤）与接地导体间的放电，二是工作服与接地导体间的放电。防静电腕带只能消除第一种放电危险（指尖放电），而不能消除第二种放电危险，这是因为腕带只能泄漏掉作为良导体的人体皮肤上的静电，而对泄漏掉绝缘性较
29、强的服装上的静电则是无能为力，因此必须足够重视消除服装静电。54静电防护的误区七可用纯棉工作服代替防静电工作服。可用纯棉工作服代替防静电工作服。纯棉工作服只有在相对湿度高于50-60时可防止服装静电积累，而当相对湿度较低时，纯棉制品的带电量明显增大。同时纯棉工作服容易吸附空气中的尘埃，尘埃很容易产生静电，反而会引起ESD损伤。所以不能指望纯棉工作服在任何情况下消除服装静电危害的可靠性。 55静电防护的误区八静电防护措施接地。静电防护措施接地。接地是静电防护系统的基础，但接地只可能把导体上的静电导走，对产品上的绝缘部分无效，另外接地导体与绝缘体接触后，虽然导体上不会存在静电，但绝缘体上仍然产生有
30、静电。绝缘体必须使用离子中和法消除静电。 56静电防护的误区九采用电阻率极低的金属作为防静电材料。采用电阻率极低的金属作为防静电材料。电阻率极低的金属是可以把静电导走，但要用作ESD静电防护材料：一方面可能因为漏电而使操作工不慎接触高压或硬接地时容易发生人身伤害事故；另一方面若有一带静电产品与它很近时，由于金属为良导体，此时发生静电放电时，其能量释放（静电泄放）很快，发生的放电火花和电磁噪声会对元器件造成很大的危害；再则在金属台面上操作时，器件或印制板的连接导线由于接触金属导电表面而会引起短路，造成损害；另外金属的坚硬表面，几乎不能为放置其中的元器件、印制板所受到的机械冲撞提供保护。因 此 ， 静 电 防 护 材 料 一 般 选 用 表 面 电 阻 率 在105/sqs1012/sq之间的静电耗散型材料。57ESD防护中主要的国家标准1：电子产品防静电放电控制手册2：集成电路防静电包装管3：防静电工作区技术要求4：电子产品制造防静电系统测试方法5：电子产品防静电放电控制大纲6：电子设备制造防静电技术要求 7：电子元器件制造防静电技术要求8：可热封柔韧性防静电阻隔材料规范9：防静电工作服10：防静电鞋、导电鞋技术要求11：防静电安全工作台技术要求12：导电、防静电塑料体积电阻率测试方法13：地板覆盖层和装配地板静电性能的试验方法5859
