1、 什麼是靜電放電什麼是靜電放電 (ESD) 嚴(yán)寒的冬天，當(dāng)您脫下暖和的毛衣，您會聽到嗶嗶啪啪聲 乾燥的冷天，當(dāng)伸手去開車門或窗戶，會感到觸電的感覺 用手去撫摸家裡的貓，您會發(fā)現(xiàn)貓竟然怒髮衝冠 這些就是靜電瞬間洩放(ESD)所主導(dǎo)產(chǎn)生的現(xiàn)象 ESD-ELECTRO STATIC Discharge 其實靜電並不僅由人為才會產(chǎn)生，例如 空中對流的雲(yún)層 沙漠中隨風(fēng)飄起的砂1 靜電如何形成靜電如何形成 靜電是史載最早發(fā)現(xiàn)的一種電 靜電其實是自從有人類以來，就影響著人類的生活 西元前 640年， 希臘哲學(xué)家 THACES 把琥珀(Amber)摩擦後發(fā)現(xiàn)可以吸附毛髮，而開始知道靜電的存在 靜電的形成 導(dǎo)

2、體 具有可移動的電子或價電子 (Valence Electrons) 在原子結(jié)構(gòu)的最外層，亦即受原子核 (Nuclei) 的束縛最小，當(dāng)受到外來電場的吸引而移動 (產(chǎn)生電流) ，此類物質(zhì)稱為導(dǎo)體 絕緣體 缺乏上述可移動的電子或價電子的物質(zhì)，稱為絕緣體2 以物體抗靜導(dǎo)電性來區(qū)分材質(zhì) 導(dǎo)電性 (Conductive)材質(zhì): 表面店電阻係數(shù)在 105/square 以下 靜電衰減性(Static Dissipative)材質(zhì):表面電阻係數(shù)介於105 1012 /square 抗靜電性(Anti-Static)材質(zhì):表面電阻係數(shù)介於109 1012 /square 絕緣體(Insulator)材質(zhì):表

3、面電阻係數(shù)介於 1012 /square以上 摩擦生電3 7P+ 7P+ 7P+ 7P+e -e -e -e -e -e -e -平衡原子平衡原子 1e -平衡原子平衡原子 2帶負(fù)電原子帶負(fù)電原子 帶正電原子帶正電原子e -e -e -e -e -e -e -摩摩擦擦e -e -e -e -e -e -e -e -e -e -e -e -e - 物質(zhì)產(chǎn)生靜電大小排列如下表，其中愈正性與愈負(fù)性物質(zhì)互相摩擦產(chǎn)生之靜電愈大Air 空氣 Amber 琥珀Asbestos石棉Acetate Rayon 人造絲 Aluminum 鋁 Brass , Silver 黃銅 , 銀 Cotton 棉 Gold

4、, Platinum金 , 白金 Fur 皮革 Hard Rubber 橡膠 Glass 玻璃 Orlon 奧龍 Hands 手 Polyester 多元脂 Human Hair 頭髮 Poly urethane PU聚亞氨脂 Lead Hand 石墨 Polyvinyl PVC聚氯乙烯 Mica 雲(yún)母石 Polyethylene PE聚乙烯 Nylon 尼龍 PolypropylenePE聚丙烯 Paper 紙 Sealing Wax 蠟 Rabbit Fur 兔毛 Silicon 矽 Silk 絲 Sulfur 硫磺 Steel 鋼絲 Teflon 鐵弗龍 Wool 羊毛 Nickel ,

5、 Copper鎳 , 銅 Wood 木材4Negative負(fù)負(fù) 性性 ( - )Positive 正正 性性 ( + ) 靜電就在您的週圍 人在走路或跑步就可以產(chǎn)生可觀的靜電， 下面是一個量測人體靜電的實驗 靜電壓量表 不銹鋼板 人(不帶靜電環(huán)) (Static Locator) ( 12x 12)絕緣架絕緣架量測時溫度為24.5，相對濕度 RH 為55 %一般地面一般地面5鞋子鞋子(皮鞋或球鞋皮鞋或球鞋)導(dǎo)導(dǎo) 線線 A)上述條件測量結(jié)果 所穿鞋子 動 作 產(chǎn)生靜電壓(Volts) 皮 鞋 原地慢速踏步 150200 皮 鞋 原地快速跑步 200250 球 鞋 原地慢速踏步 200250 球

6、鞋 原地快速跑步 250350 B)當(dāng)不同條件下，靜電壓之變化 產(chǎn)生方法 10%20%相對濕度 65%95%相對濕度 走過地毯 35,000 1,500 走過塑膠地毯 12,000 250 在椅子上工作 6,000 100 拿起塑膠文件夾 7,000 600 工作椅墊摩擦 18,000 1,50067 工作場所中常見的靜電產(chǎn)生物質(zhì)或活動 ： 工作桌面 一般的塑膠、上臘、上漆。 地 板 水泥地板、一般塑膠地板。 衣 服 人造纖維衣服、一般非導(dǎo)電鞋、 抹布。 椅 子 木材椅、塑膠椅、玻璃纖維椅。 包裝及運(yùn)送 塑膠袋、泡棉、保麗龍、塑膠盒。 組裝、加工、測試、修理 噴霧清潔劑、吸錫器、鉻鐵、 刷子、

7、塑膠帶、 熱氣、烤箱、 複寫紙。 半導(dǎo)體產(chǎn)品抗靜電能力半導(dǎo)體產(chǎn)品抗靜電能力 抗靜電能力之量測(Human Body Model) 依 MIL-STD-883，Method 3015， 測試線路圖 ： 1. Input (A) , Common (B) 2. Output (B) , Common (A)3. Input (A) , Output (B) 4. V+ (A) , Common (B)5. V+ (B) , Common (A)8RegulationHigh VoltagePower SupplyDC MeterD.U.T.R1R21.5K 5%C1100pf 10%Wavefor

8、mMeasurtmentTerminalR1 - Current LimiterRs - RelayC1 - 人體電容 ( 平均 )R2 - 人體電阻 ( 平均 )D.U.T. - 待測材料A, B - 待測物之接腳ABRS各類半導(dǎo)體材料抗靜電能力之比較(NEPCON/ WEST Report)晶片種類 靜電破壞電壓(Volts)MOSFET 100200EPROM 100JFET 1407,000Op-Amp 1902,500CMOS 2503,000SCHOTTKY DIODE 3002,500 TTL 3002,500Bipolar Transistor 3807,000ECL 500S

9、CR 68010,000 9 抗靜電能力之分類 依上述量測方法得到的結(jié)果，可將材料之抗靜電能力區(qū)分為Category A與Category B(早期MIL分法) 類別 耐電壓 (Min. Volts) 材料防靜電包裝保護(hù)需求 A 20 2000 防靜電管及導(dǎo)電袋 B 2000 防靜電管及防靜電袋 由上可知，大體而言只要100V以上的靜電壓就可以對半導(dǎo)體產(chǎn)生傷害，故 ESD 之防護(hù)工作，我們不可不慎。 而基本上，不同Category 之半導(dǎo)體可以不同的等級來做ESD防護(hù)，但為方便於處理，通常都以處理較嚴(yán)密的Category A 來做防護(hù)措施。 1011 ESD 對人體會造成傷害嗎？ 家中的110

10、V、240V常常因為使用不慎造成傷亡，那動輒幾之ESD呢？是否會對人體造成傷害呢？ 造成肌肉或心臟麻痺主要的是電流，尤其是交流電流。 電流對人體傷害分析表 (MIL-STD-454) 。 電 流 大 (毫安培 、mA) AC (60Hz) DC 結(jié) 果 0-1 0-1 有知覺 1-4 4-15 感到驚訝 4-21 15-80 有反射動作 21-40 80-160 肌肉麻痺 40-100 160-300 休克 100 以上 300 以上 立即死亡12 ESD 的影響品質(zhì)方式的影響品質(zhì)方式 1. 人體放電模式(Human Body Model , HBM) 顧名思義知道此為借由人體於走動摩擦產(chǎn)生靜

11、電，而影響 到元件的模式人 體元 件( HBM )-13 2. 電場感應(yīng)模式(Field Induced Model , FIM) 指由於外來電場感應(yīng)產(chǎn)生電荷，巧遇機(jī)緣而將電荷引導(dǎo)接 地引起的模式 3. 充電元件模式(Charged Device Mode,CDM) 上述FIM模式中當(dāng)元件被移離開電場或接地時，就變成 CDM模式 元元 件件外在電場感應(yīng)電荷外在電場感應(yīng)電荷接地造成接地造成ESD放電放電 (FIM)(Field)E(Grounded)元元 件件接地消失接地消失移離電場(CDM)(Field)14 元件被元件被ESD 破壞之原因及型態(tài)破壞之原因及型態(tài) ESD破壞之原因：1. 功率產(chǎn)

12、生：如熱崩潰、 金屬被熔融2. 電壓產(chǎn)生：如介電質(zhì)崩潰、表面崩潰3. 潛在性故障：如功能劣化、降級15 ESD破壞之型態(tài)1. 接面崩熔（Junction Burnout） 過大的電流通過接面時，產(chǎn)生極大的熱量，使得接面崩熔。此種破壞是屬於接面短路，並有二個特性A.即使ESD的能量未能打穿接面（Junction Burnout），也能造成元件的失效B. 正向偏壓的ESD破壞能量是負(fù)向偏壓的515倍2. 氧化層貫穿針引線（Oxide Punch Through）通常在金屬氧化層半導(dǎo)體（MOS）上可以發(fā)現(xiàn)此類型之破壞，這是由於外加的靜電壓超過了氧化層的崩潰電壓所致。其現(xiàn)象亦是短路。EBCEBC16

13、3. 金屬層崩熔（Metalization Burnout） 由於過大的電流流經(jīng)金屬層，並在較脆弱的地方產(chǎn)生，由於此種破經(jīng)常是伴隨著接面短路或是氧化層短路之後發(fā)生故屬於所謂的二次崩潰（Secondary Breakdown）。而其現(xiàn)象為斷路。17 靜電的累積破壞 負(fù)傷而行 接面崩熔（Walking Wounded） 許多實驗證實靜電能使半導(dǎo)體負(fù)傷，但不玫立即完全破壞其功能，而且有多數(shù)這些負(fù)傷而行的元件都能通過測試直到這些元件送到客戶之後，隨時會從負(fù)傷而行變成完全失效。下面是一ESD累積破壞的試驗：應(yīng)用前述HBM接線方式（僅略去人體的電阻R2=1.5K）來量測54S163IC試驗條件：試驗結(jié)果：

14、材料：54s163測試前I=2.883APASS人體電容：100pf第一次I=2.883A PASS每次放電：50V第二次I=2.890A PASS 放電次數(shù)：5次第三次I=2.890A PASS 測試點：Vin=Pin2 (A)第四次I=1.872mA FAIL GND=Pin8 (B)第五次I=2.147mA FAIL18 ESD破壞分析破壞分析 找出PCB上之故障元件 對故障元件進(jìn)行基本電性量測 功能測試 參數(shù)測試 X-ray做表層分析 去封膠（Decapsulate）檢視內(nèi)部 去除各層（玻璃層、鋁層）層層檢視幾種遭ESD破壞案例參考19去 鋁 層 之 後 的 接 合 窗接合窗放大10,

15、000之後可見貫穿現(xiàn)象A金屬接合窗橫 切 面 放 大 (2,000)橫 切 面 放 大 (10,000)20 靜電防護(hù)靜電防護(hù) 晶片設(shè)計的靜電防護(hù)(治本方法)本方法乃是靜電防護(hù)最好的辦法，但在設(shè)計半導(dǎo)體的抗靜電電路時，必須考慮到電路產(chǎn)生熱的影響、反應(yīng)時間、 最大電壓、 能量傳導(dǎo)、 寄生電容等等因子，故並非隨心所欲可以辦到。因此靜電防護(hù)仍必須靠一些治標(biāo)的方法。 靜電防護(hù)的基本原則 1. 避免靜電產(chǎn)生 2. 疏導(dǎo)或中和所產(chǎn)生之靜電 3. 摒蔽靜電場逐一介紹說明如下：21 1. 避免靜電產(chǎn)生 (A) 潮溼法(Moisturing)水氣本身會有導(dǎo)電現(xiàn)象，故可降低絕綠體表面電阻，達(dá)到靜電防護(hù)目的 (B)

16、 抗靜電塗佈法(Anti-Static Coating) 有部份溶液可噴灑於綠體青面降低物體表面電阻，達(dá)到靜電防護(hù)的目的。但此種塗層，日久會脫落而漸漸失去其效果，故必須考慮其有效期。 (C) 內(nèi)部靜電劑法(Imbeded Anfi-Static Agent) 這是在材料中加入具有導(dǎo)電性或吸溼性的物質(zhì)，使其外層具有輕微導(dǎo)電性。此方法可以不必考慮有效期，但成本較高。 2. 疏導(dǎo)或中和靜電法 (A) 疏導(dǎo)法(Bleed-Off) 典型的疏導(dǎo)法就是配帶靜電環(huán)(Wrist Strap)，是將人體產(chǎn)生之靜電電荷，藉由導(dǎo)線將所產(chǎn)生之電荷傳導(dǎo)出去。通常靜電環(huán)中會接一1M之接地電阻，以保護(hù)人員工作之安全。22

17、(B) 中和法(Neutralization)利用靜電消除器(Ionizer)來釋出正、負(fù)離子以中和消除靜電效應(yīng)。目前常用的靜電消除器有下列幾種：a. 放射性靜電消除器 使用放射性物質(zhì)釙或元素之輻射能來撞擊空氣使之分裂成等量的正、負(fù)離子。使用此Ionizer必須加防護(hù)結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是不需電源容易裝置，具有防炸功能；缺點是使用壽命短(每年更換)，必須離使用遇火警時極危險。 b. 高壓靜電效應(yīng)消除器 利用針點高壓(5KV左右)尖端放電來電離空氣分子。此種裝置具有高效率及高安全性之特點，所產(chǎn)生之電流僅幾微安培(A)，不會產(chǎn)生電擊。 c. 感應(yīng)靜電效應(yīng)消除器 這是利用帶電物質(zhì)之高電壓(對接地點)來電離空

18、氣離子 23 3. 摒蔽靜電場（Field Shielding） 此種方法乃利用Farady Cage 之原理使靜電場被摒蔽在容器之外圍。左圖是5KV電場下各種容器內(nèi)測得的靜電場，右圖是一摒蔽電場之模型電場無法貫穿僅分佈表面電 壓 (kv)時間 (秒)01.02.03.01.02.03.0導(dǎo)電袋防靜電袋一般PE袋金金 屬屬 容容 器器24 各類常用靜電防護(hù)材料各類常用靜電防護(hù)材料 1. 靜電環(huán) 由伸縮拉環(huán)，內(nèi)含1Mega 10%電阻之導(dǎo)線及接頭所構(gòu)成。 配帶靜電環(huán)時必須注意到：(a)靜電環(huán)必須與手緊密接觸， 不可鬆脫或套於衣袖上(b)與接地之間必須保持1M 10%之電阻(c)接頭必須固定妥當(dāng)，

19、 當(dāng)接頭未接地妥當(dāng)時，不得碰觸材料2. 抗靜電材料(袋、管、管塞、盒等) 在材料上塗佈抗靜電液，使材料不會產(chǎn)生靜電荷，或僅產(chǎn)生微量的靜電荷(通常在100V以下)。此類材料表面電阻要求在1012/square以下，靜電消散時間2sec。使用此材料應(yīng)：(a)此材料僅能防止本身產(chǎn)生靜電，而卻無法防止靜電場破壞(b)表面塗層必須考慮其有效期(c)一般工業(yè)界會將此類產(chǎn)品製成粉紅色25 3. 靜電遮蔽材料(袋、管、管塞、盒等) 此種材料一般含有二或三層，上下(或外)層是抗張力強(qiáng)的抗靜電化學(xué)合成物質(zhì)(R1012/square，靜電消散時間2sec) ，中間(或內(nèi))層是一層薄薄的金屬箔(105 R 109 /

20、square)。使用時需注意：(a) 避免使用尖銳物品刮壞金屬層(b)封閉的導(dǎo)電袋或容器才有完全之保護(hù)4. 靜電消除器 利用儀器所產(chǎn)生的大量離子，將絕緣體表面的靜電予以中和。使用靜電消除器必須注意：(a)靜電消除器必須在工作範(fàn)圍45呎內(nèi)方為有效區(qū)域(b)靜電消除器必須定期清理所積聚之灰塵，至少3個月內(nèi)清理一次(c)靜電消除器必須定期檢查其離子是否平衡(d)靜電消除器會產(chǎn)生臭氧(O3) 對人體無害(有益) ，但臭氧濃度不可超過0.1DPP M ，否則其異味會使人難以忍受265. 防靜電工作桌1. 人體2. 靜電環(huán)3. 防靜電桌面4. 儀器5. 靜電鞋6. 導(dǎo)電地板27註：各接地點之標(biāo)準(zhǔn)接法4. 其它常用抗靜電材料：(a)防靜電手套、指套(b)抗靜電手套、袖套(c)靜電消除劑(d)靜電鞋28 各種靜電標(biāo)示警告各種靜電標(biāo)示警告 A.對對ESD敏感敏感標(biāo)示：C.保護(hù)保護(hù)+外弧去斜線之標(biāo)示： 適用於告知電子零組件對ESD 用於工具或材料上已具有控制ESD極為敏感，易遭ESD破壞。之功效。 B.對對ESD敏感敏感+警語之標(biāo)示： D.對對ES