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ESD 原理
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2005-10-272005-10-27 1 ESD / EOS 概念2005-10-27 2 提要 ? ESD 简述 ? 静电学和ESD 基本原理 ? 失效模式和机理 ? 控制和避免ESD ? 静电荷测量/ESD 工具 ? ESD 防控产品 ? ESD 防护的基本要求 ?E O S 基本原理,如何避免 ? 问答题2005-10-27 3 ESD 简述2005-10-27 4 ESD简述 ? 随着半导体工艺技术的进步,制造出的芯片几何尺 寸和线宽越来越小,而脚位却越来越多, 这使得IC 更加容易受ESD 问题的影响. ? 发展到如今的低电导封装技术却没有相应的提高 芯片的本征电阻以应对键合产生的高频ESD 脉冲. ? 没有考虑材料类型的自动化系统的应用最终导致 器件的失效.2005-10-27 5 ESD简述 ? ESD 在电子工业化的今天已经变成一个非常严 重的问题,它可以引起: 产品失效(较低可靠性) 客户抱怨 高退货率(高成本) 利润降低2005-10-27 6 ESD简述 实际上, 从元件的制造, 使用到维修的任一环节都有可能发生 静电损害. 1.元件制造过程 包含制造,切割、接线、检验到交货. 2.印刷电路板装配过程 包含收货、验收、储存、插入、焊接、品管、包装到出货. 3.设备制造过程 包含电路板验收、储存、装配、品管、出货。 4.设备使用过程 包含收货、安装、试验、使用及保养。 5.设备维修过程2005-10-27 7 ESD简述 ? 在这整个过程中,每一个阶段中的每一个小步骤,都可能 使元件遭受静电的影响,而实际上,最主要而又容易疏忽 的一点却是在元件的传送与运输的过程. 在这整个过程 中,不但包装因移动容易产生静电外,而且整个包装容易 暴露在外界电场( 如经过高压设备附近,工人移动频繁、 车辆迅速移动等) 而受到破坏,所以传送与运输过程需要 特别注意以减少损,避免无谓之纠纷. ? 为了使ESD 损害降到最低, 有关组织制定了元件级、系统 级、工厂级ESD 防护设计的要求、指导原则. ? 各用户据此制定静电放电控制大纲及生产中静电防护技术 措施与管理要求. ?2005-10-27 8 静电学和ESD基本原理2005-10-27 9 ESD 概念 ? ESD 代表 E-Electro 、 S-Static 、 D-Discharge , 电荷瞬间从一个物体转移到另一个物体上.2005-10-27 10 ESD 概念 ESD 事件是物体表面的静电荷转移, 该表面处于不 同的静电电位. ?电荷转移 电荷转移 -5KV -5KV -2KV 地2005-10-27 11 一些ESD 实例: ? 闪电 ? 在干燥天气时,你触摸另一个人产生的电击感 觉。 ? 在铺有地毯的地板上行走后,手接触金属门把 手产生的电击。2005-10-27 12 材料的分类: 等级 导体 静电耗散材料 防静电材料 绝缘体 特性 一种容易将静电导入地 下的材料 一种慢慢将静电导入地 下的材料 一种实际上不产生静电 的材料 一种不能将静电导入地 下的材料 表面电阻率 电子数目 正 电性 ? 质子数目 3000V , 我们能听到的ESD 电压 >6000V , 我们能看到的ESD 电压 >8000V. …… 虽然我们不能觉察, 但是器件可以!2005-10-27 22 ESD 的危害 ? ESD 会导致如下严重后果 器件损坏或击穿 内部电路立即并且永久性损坏 性能退化或潜在性失效 元件内部电路的损坏未被发现, 但在随后的市场应用 中可能失效.2005-10-27 23 ESD 的表现 ? 一个PMOS 三极管显示硅片损坏的FESEM 和TEM 图像.2005-10-27 24 ESD 的表现 ? 一个IC 芯片损坏的FESEM 图像.2005-10-27 25 ESD 损坏 ? 增大ESD 损坏几率的因素 1.相对湿度低 ( 空气干燥) 2.在工作区使用人造材料、塑料以及绝缘体等. 3.在椅子上、上蜡地板以及人造地毯上做一些动作, 比如:弯腰, 行走,移动或者摇摆. 4.带电器件与导电材料或金属材料接触,如金属镊 子和金属桌面。2005-10-27 26 典型的静电源 1. 工作台面: 打蜡, 粉刷或清漆表面, 未处理的聚乙 烯和玻璃表面 2. 地板: 灌封混凝土,打蜡或成品木材,地瓷砖和地 毯. 3. 座椅:成品木材, 聚乙烯类,玻璃纤维, 绝缘车轮. 4. 包装和操作材料: 塑料袋, 包, 封套;泡沫袋,泡沫塑 料; 聚苯乙烯泡沫塑料; 非ESD 防护料盒,托盘, 容 器. 5. 组装工具和材料: 高压射流,压缩空气, 合成毛刷, 热风机, 吹风机, 复印机, 打印机.2005-10-27 27 典型的静电压生成强度 人体活动电压(KV ) 相对湿度10~20% 相对湿度65~90% 在人造地毯上走动 35 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.5 在乙烯树脂地板上走动 12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.25 在工作台上操作 6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.1 从垫有聚氨基甲酸泡沫的工作椅上站起 18 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1.5 乙烯树脂封套(WI) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.6 从工作台上拿起塑料袋 20 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1.2 相对湿度越小,产生的静电电压越高.在干燥的季节, 人体静电可达几千伏甚至几万伏2005-10-27 28 ESD 失效 ? ESD 失效取决于器件类型. ?? 大多数ESD 失效不易为传统显微镜所发现,通常 需要发射式显微镜、失效位置确认工具、刻蚀以 及断面分析等手段来确认. ? ESD 损坏通常会引起二次EOS 损坏.2005-10-27 29 失效模式和机理2005-10-27 30 失效模式 ? 人体模式(HBM: human Body Model ) 该模式显示某一带电的人体接触器件, 并通过器件转移电荷.2005-10-27 31 失效模式 ?H B M 在今天不像过去那样普遍,因为绝大多数的 加工过程已自动化,通常器件对该种模式是比较 坚固的. ?? 当人走动时很容易成为带电体 . ? 人体的皮肤、头发、身体能携带相当数量的静电. ? 人体能将这些电荷通过放电或转移到器件以及生 产线上,引起ESD 失效. 2005-10-27 32 失效模式 ? 机器模式(MM: Machine Model ) 当器件的某一脚接地时, 带电的机器接触它的另一脚, 此时机 器模式失效发生. HV SUPPLY DUT 200 pF2005-10-27 33 失效模式 ? 充电器件模式 ( CDM: Charged-Device Model ) 这种模式表明:当器件由于一些生产工艺,比如从 托盘或料管掉下从而变成带电时,将会引起ESD.2005-10-27 34 失效模式 ? 电场感应模型 (FIM: Field-Induced Model) 这种模式表明: 由于在生产线存在带电材料, 比如塑料包装带 等, 从而使器件带电, 将会引起ESD. 这种效应类似与CDM, 但 能出现两次破坏. _ _ _ + + + _ _ _ _ + + + + + ++ + + ZAP 1 ! ZAP 2 ! _ _ _2005-10-27 35 控制和避免ESD2005-10-27 36 器件的ESD 保护 ? 对ESD 敏感器件必须设计安全的放电路径以避 免ESD 发生. ? ESD 保护单元能承受一定的ESD 放电电压.2005-10-27 37 基本原则 1) 认定所有的电子器件都对ESD 损坏和失效敏感. 2) 保持工作区域整洁. 消除装配线和测试区的所有非 导电体, 或采用离子系统抵消静电的影响. 3) 当接触电子器件和装配时,应使人体保持良好的接 地. 4) 当存储和运输ESD 敏感器件时,应将其放在有静 电屏蔽的器具中或法拉第罩中. ? 2005-10-27 38 针对各种失效模式的防护措施 1 )HBM 防护: 戴手腕带或脚束带/ 导电鞋+导电地板/ 地垫. 2 )CDM 防护: 采用抗静电和耗散型的套管和桌面等. 3 )MM 防护: 所有导体接地. 4 )FIM 防护: 消除生产线、装配线和测试区的所有非导电体, 或采用离子系 统抵消静电的影响. 使用导电材料完全包装电子器件, 以防电 场的穿透.2005-10-27 39 ESD 控制产品 ?E S D 控制 1 )ESD 设备失效或使用不当易造成ESD 损坏,应了解其正 确的使用方法. 2 )定期检查手腕带, 脚束带或导电鞋. 3 )管理离子发生器和测试设备. 4 )确保离子发生器打开并正常工作. 5 )检查ESD 保护设备的接地状况. 6 )使用经过验证的ESD 设备. 7 )及时报告任何问题. ? ? 2005-10-27 40 静电荷测量/ESD 工具2005-10-27 41 ESD 工具 ? 静电场表(Field Meter) ?1. 这是携带比较方便的仪器. 它用于诊断ESD 问题或作为审核 之用. 2. 可测量带电体产生的静电场.2005-10-27 42 ESD 工具 ? 静电场表的缺点: 1. 接近地时,通常读数比实际低而造成误差. 2. 当器件放置于接地的导体上时其读数为零. 这时若要测量 电压, 需要法拉第罩防护. +++++++++++ 导体 电子流向导体中和了静电场 尽管器件带电, 但表的读数为零 meter 地2005-10-27 43 ESD 工具 ? 带电平板监测仪(Charge Plate Monitor) 监测空气离子平衡,以及电荷从固定电压点到需要终结点 ( 通常为原始电量的10 %)的衰减速度.2005-10-27 44 ESD 工具 ? 高阻表(Megger Meter /High Resistance Ohmmeter) 高阻表通常提供10 或100V 的电压,利用NFPA型探头测量 点到点或点到地的电阻, 比如桌面, 地板, 垫子等. 2005-10-27 45 静电荷测量法 ? 测量器件上的静电荷 1. 将器件放入法拉第罩, 记录读数A 2. 将器件移出法拉第罩, 记录读数B 移动电荷=B, 稳定电荷=A-B2005-10-27 46 ESD 防控产品2005-10-27 47 高低短靴 ? 适用于导电地板上的工作人员. ?? 靴内置导电绳, 脚底潮气被袜子吸收并在移动鞋底时人体 形成一个电荷承受路径. 双脚均穿.2005-10-27 48 脚套( 束) ?? 适用于导电地板上的工作人员. ? 双脚穿鞋套, 套住外出穿的鞋, 脚束带置于鞋套上部. ? 鞋内置导电绳, 脚底潮气被袜子吸收并在移动鞋底时人体形成一个 电荷承受路径. 双脚均穿. ? 适用于来工厂车间参观的来宾临时使用. ?导电绳与皮肤直接接触2005-10-27 49 ESD 鞋 ? 适用于导电地板上的工作人员. ? 脚底潮气被袜子吸收并在移动鞋底时人体形成一个电荷 承受路径. 双脚均穿.2005-10-27 50 手腕带 ? 有一个通常由金属材料制成的手腕带,有一根带有内置 电阻的螺旋型绳,在其末端有一香蕉型插头或夹子, 用以 接地或连接CMS (Continuous Monitoring System 持续监 测系统). ? 用于地面工作人员, 为使其更有效, 它应与皮肤良好接触2005-10-27 51 人体综合电阻测试仪 ? 用来检查ESD 鞋或脚束带. ? 两脚分别测试. ? 若不能通过测试, 则应检查ESD 鞋是否干净, 是否正确穿戴脚束带等. ? 通过开关选择, 也可同时用来检查手腕带.2005-10-27 52 工作服 ? 由静电耗散材料制成. ?? 用来消除由衣服产生的静电,以阻止静电对器件的影响. ?? 用来消除衣服和皮肤上的灰尘和颗粒.2005-10-27 53 导电地板 ? 地板砖不像普通地板那样上绝缘蜡,有时可上导电蜡保证地板光洁 并维持导电特性. ?? 适用于穿有导电鞋的地面工作人员. ?? 地板砖铺设使用导电环氧树脂和铜带连接到建筑物结构主体或接地 终端.2005-10-27 54 ESD 防护工作台 ? 用于处理ESD 敏感器件. ?? 既可用导电桌面(不锈钢), 也可用接地的静电耗散桌面. ? 通常使用空气离子发生器消除桌面上器件或其他材料的电荷. ? 通常配有供手腕带使用的接地端. ? 不相关的材料和电荷产生源应移离ESD 防护工作台.2005-10-27 55 空气离子发生器 ? 用于消除工作区和器件内部所产生的静电. ? 离子发生器应用高压针尖放电来产生正负电性的离子. ?? 带正电荷的材料吸引负电离子,直至电荷抵消.2005-10-27 56 ESD 防护座椅 ? 作业人员坐着时接地. ? 转轮具有良好的导电性, 以使座 椅上所有部件形成对地通路. ? 座椅套由静电耗散材料做成. 当 人坐着并保持接触时,可以通 过工作服,座椅, 地板形成接地. ? 脚搁着同样可以对人体提供额 外的对地通路.2005-10-27 57 手推车 ? 手推车更容易在移动过程中带 电,为此通常采用铁链或导电 滚轮接地. ? 手推车的任何部分都不应产生 静电. ? 手推车的任何部位都应接地良 好.2005-10-27 58 静电安全包装和处理材料 ? 为使器件在运输和交付过程中免于ESD 的危害,常采用静电安 全包装和处理材料, 比如工具箱, 导电托盘, 屏蔽袋. ? 所有ESD 敏感器件在运输和交付中必须用静电安全包装,ESD 安全包装材料必须完全包住器件. 导电托盘 屏蔽袋2005-10-27 59 ESD 防护的基本概念 1. 把防ESD 设计到元件和产品内 2. 消除产生静电的材料与过程 3. 驱散或中和静电放电 4. 提供对静电放电的物理保护 5. 检测过程与环境2005-10-27 60 制程ESD 防护的基本要求 1. 湿度控制(推荐40 %-60% 的相对湿度) 2. 警示符号和标识 3. 导电地板 4. 培训 5. 导电/ 抗静电包装 6. 接地工作台 7. 接地手腕带 8. 防静电工作服 9. 过程设备静电压 <200V 10. 间接材料导电或防静电 11. 法拉第屏蔽贮存2005-10-27 61 警示符号和标识 ESD 警示符号和标识应被挂在EPA 入口处或相应的工作位.2005-10-27 62 防静电接地装置 ? 防静电工作区必须有安全可靠的防静电接地装 置,防静电地线不得接在电源零线上,不得与防 雷地线共用,接地主干线截面积不小于100mm2, 支干线截面积应不小于6mm2 ,设备的接地线应 采用截面面积不小于1.25mm2 的多股敷塑导线, 接地主干线的连接方式应采用钎焊. 2005-10-27 63 手腕带, 工作台, 地板接地12005-10-27 64 手腕带, 工作台, 地板接地22005-10-27 65 过程设备 ? 过程设备应防静电接地,接地电阻<1Ω,接地端 子应确保接触可靠,禁止用鳄鱼夹连接接地. ?? 手用焊接设备( 比如烙铁), 电动工具( 比如电钻) 的尖 端应防静电接地,接地电阻<1 Ω. ? 手推车更容易在移动过程中带电,为此通常采用铁 链或导电滚轮接地.应确保铁链接触地面.2005-10-27 66 推荐的ESD 检测项目和频次 1. 防静电腕带:电阻值1 × 10 5 ~ 1 × 10 7 Ω,1 次/ 天. 2. 防静电鞋: 电阻值1 × 10 5 ~ 1 × 10 9 Ω,1 次/ 天. 3. 防静电耗散型地板: 电阻值1 × 10 5 ~ 1 × 10 9 Ω,无明显 污迹、伤痕,接地良好,1 次/ 半年. 4. 作业台:1M Ω电阻串联接地或者铺设防静电台垫接地, 目 视1 次/ 周. 5. 制品货架:1M Ω电阻串联接地或者铺设防静电台垫接地, 目视1 次/ 周. 6. 生产现场手推车: 接地状态良好,目视1 次/ 周. 7. 离子风机: 除静电功能正常,目视1 次/ 天.2005-10-27 67 推荐的ESD 检测项目和频次 8. ? 设备: 防静电接地状态良好,目视1 次/ 周. 9. ? 防静电接地电阻:小于1 Ω,1 次/ 年. 10. 防静电台垫: 电阻值1 ×10 5 ~ 1 ×10 9 Ω,1 次/半年. 11. 防静电工作服: 电阻值1 ×10 5 ~1 ×10 9 Ω,1 次/ 半年. 12. 周转箱:电阻值1 ×10 5 ~ 1 ×10 9 Ω,1 次/ 月. 13. 反复使用的包装材料:电阻值1 ×10 6 ~ 1 ×10 12 Ω,1 次/ 月. 14. 静电电压: 操作人员在工作区内进行正常操作时, 用静电 电压表检测静电电压值小于200V, 持续监控用. 必须保存相应的检测记录至少一年, 目视和持续监控项目除外.2005-10-27 68 证实ESD 防护措施有效 ? 设立ESD 协调员或协调小组. ? 定期审核. ? 不符合项进行整改. ? 保存相应的审核记录至少两年. ? 相应的ESD 管理培训, 更新内容再培训. ? 保存相应的培训记录至少两年. ? 若有必要,对访客作简短的ESD 培训.2005-10-27 69 EOS 基本原理, 如何避免2005-10-27 70 EOS 概念 E - ELECTRICAL O - OVER S –STRES S EOS 指过电应力,当外界电流或电压超过器件的最 大规范条件时,器件性能会减弱甚至损坏. 2005-10-27 71 EOS 和ESD 的区别 ?E O S : 1. 典型地, 由电源和测试 设备产生. 2. 事件持续时间在微秒~ 秒级. ( 也可能是毫微 秒) 3. 损坏的现象包括金属 线熔化、发热、高功 率、闩锁效应. 4. 短的EOS 脉冲损坏看 起来像ESD 损坏. ? ? ?E S D : 1. ESD 是EOS 的一种, 有限的能量, 由静电荷 引起. 2. 事件持续时间在微微 秒~ 毫微秒级. 3. 损坏位置不易发现, 通 常只破坏晶体管级.2005-10-27 72 引起EOS 的常见原因 1. 闪电 2. 测试程序开关引起的瞬态/毛刺/ 短时脉冲波形干扰. 3. 电源噪声和过电压. ?4. 落后的测试技术,比如在对器件供电之前加入测试信 号,或超过最大操作条件. 5. 来自其他设备的脉冲信号干扰. 6. 不恰当的工作步骤. 7. 接地点反跳(由于接地点不够导致电流快速转换引起高 电压)2005-10-27 73 EOS 表现2005-10-27 74 避免 EOS 一. 电源 1. 在使用AC 电源时,电路中应有暂态抑制器(滤 波器). ?2. 为电源配置过电压保护. ?3. 为AC 电源提供电压稳定装置 . 4. 电源序列发生器保证按次序电压的上升和下降. 5. 在大电流设备之间不共享滤波器和电压稳定装 置. ?2005-10-27 75 避免 EOS 二. 工作步骤: ?1. 提供恰当的操作步骤. ?2. 在以下方面保证充分的培训和提醒: A. 正确开/ 关电源 的 次序. B. 在电源还开着时,禁止拆/ 接器件或电路板. C. 装器件或电路板时方向正确. 3. 经常检查以确保规范操作. ? 2005-10-27 76 避免 EOS 三. 维护 1. 对设备、炉管、盖板和插座进行预防性维护 . 2. 确保无松动的连接,它通常引起间断性连接问 题. 四. 培训 保证对所有人员培训和进修. 2005-10-27 77 避免 EOS 五. 测试电路板或器件: 1. 保证无热转换,当进行测试时用储存式示波器 捕捉信号或电源的瞬间反应. 2. 保证无浪涌或短时脉冲波形干扰. 3. 确保正确的测试参数的设置( 无过压). 4. 测试硬件中应保证使用正确的保险丝.2005-10-27 78 问答题 ? 问: 什么是最常见的静电源? ? 答: 人在活动如行走,站起等活动中都会产生静电,人体 是最为常见的静电源, 因此人体的静电防护是最为重要的. ? 问: 要控制人体静电,最有效的措施是什么? ? 答: 要控制人体静电,最有效的措施是让人体与大地相“ 连 接” 即“ 接地” 。因此,人要穿上防静电鞋. 要保持人体与大 地相连,这就要求地面也是防静电的才可以将人体的静电 导入大地,所以地面可以用防静电地垫 ,防静电复合胶 板 ,并用防静电接地线接好地.2005-10-27 79 问答题 ? 问: 人穿防静电鞋外为什么还要穿防静电工作服? ? 答: 人除穿防静电鞋外还要穿防静电工作服才能较好地控 制人体静电。因为服装也能带上很高的静电,特别是现在 的大部分服装都是化纤,能产生几千上万伏的静电. ? 问: 人穿上防静电工作服就能起到防静电作用吗? ? 答: 不能。有实验表明,人穿上防静电工作服如不穿防静 电鞋和有很好的防静电地面,防静电效果极差.2005-10-27 80 问答题 ? 问: 人穿防静电鞋并有防静电地垫、防静电复合胶板或防 静电活动地板时就一定能起到好的防静电效果? ? 答: 人穿防静电鞋并有防静电地垫、防静电复合胶板或防 静电活动地板时还不一定能起到好的防静电效果。通常人 们还要穿袜子和垫鞋垫,年青人脚易出汗,这些袜子和垫 鞋垫也能导静电,但在中老年人在干燥的季节时因鞋内干 燥,这袜子和垫鞋垫就不能导静电,而且很多厂家只要求 工作人员穿防静电服和防静电鞋,忽视了袜子和鞋垫的不 利影响,使得这此防静电鞋和防静电地面不能发挥防静电 作用。因此在车间的入口处放置“ 人体综合电阻检测仪” , 它能迅速准确检测那些穿用不合格的防静电鞋、袜子和垫 鞋垫的人. ? ? 2005-10-27 81 问答题 ? 问: 为什么接地良好的工作台上需要导电垫 ? ? 答: 工作台导电表面是一个大的导体,并处于0 电位,如果 一带电器件放置其上时,即使工作台通过一10M ? 的电阻 接地,但从器件到工作台仍能快速放电,静电耗散材料能 降低放电速度以保护器件. ? 问: ESD 管理的原则是什么? ? 答:任何人, 只要他距离无保护措施的器件在12 英寸内,都必 须接地. ?? 问: 为什么员工未接触器件时也需要接地? ?? 答: 当人体靠近无保护措施的器件时, 可能引起电场感应模 型ESD 损坏. ? 2005-10-27 82 问答题 ? 问: 简述静电屏蔽,抗静电, 静电耗散三种静电防护材料的区 别. ? 答: A) 静电屏蔽材料可防止静电放电穿透包装进入组件引 起的损害; B) 抗静电材料可作为ESDS 器件廉价的中转包 装或暂存使用. 它在使用中不产生静电荷, 但是如果发生了 静电放电, 就会穿透包装进入组件, 导致ESDS 器件损害; C) 静电耗散材料具有足够的传导性, 使电荷能通过其表面消 散. 一般来说, 黑色为静电屏蔽, 粉红色为抗静电. ? 问: ESD 和EOS 普遍的失效是什么? ? 答: 最普遍的失效是漏电和短路,但ESD 和EOS都能导致 基本的功能性失效,EOS 能引起开路. ?

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