防静电知识讲座(4)

防靜電知識講座
1
日常生活中的靜電
從地毯上走過，抓住門的把手，梳頭，脫毛 線衣，火花產生了。這個現象就是人們所知的
靜電放電(ESD, electrostatic ischarge)
。人類透過日常活動可產生高達25,000V的靜電 放電。人類手的神經可感覺到低至大約3,000V 的靜電放電。只需要10V的ESD就可毀壞今天IC 內部的某些極小零件和跡線。其結果是，雖然 ESD看不見、聽不到或感覺不到，但可重大地
• 在導體C的a端和b端分別感應出負電和正電
•
+
圖1
•
A+ +
+
•
+
C
B ++
+
++
靜電感應引起放電
•
15
其他起電模式
• 熱電起電 • 壓電起電 • 斷裂起電 • 電解帶電 • 亥姆霍茲層 • 噴射起電等
16
人活動產生的靜電電壓 (參考數據)
人體活動
靜電電壓 (KV)
相對濕度 (10-20)%
靜電電壓 (KV)
製導系統控制單元件故障，火 箭翻滾，發射失敗
22
電子工業中靜電問題的產生
靜電是時時刻刻到處存在的，但是在二十世紀 40－50年代很少有靜電問題，因為那時是晶體 三極管和二極體，而所產生靜電也不如現下普 遍存在。在60年代，隨著對靜電非常敏感的Ｍ ＯＳ器件的出現，靜電問題也出現了，到70年 代靜電問題越來越來嚴重。80－90年代，隨著 積體電路的密度越來越大，一方面其二氧化矽 膜的濃度越來越薄(微米－納米），其承
• 序清單中的物質離得越遠，各自所帶的電荷數量也越大。 常見物質的磨擦起電序列如下表所示︰
（+） 兔毛 玻璃 雲母 人發 尼龍 羊毛 毛皮
鉛
絲 鋁 棉花 鋼 木材 琥珀 封臘 硬橡膠
銅、鎳 銀、黃銅 金、白金
硫磺 醋酸酯纖維
聚酯 賽璐珞
矽 聚四氟乙烯
14
感應靜電起電 物體不接觸也能起電
• 當帶電物體A接近不帶電物體C時
• 美國從1960年到1975年由於靜電引起的火災爆 炸事故達116起。
• 1969年底在不到一個月的時間內荷蘭、挪威、 英國三艘20萬公頓超級油輪洗艙時產生的靜電 引起相繼發生爆炸以後引起了世界科學家對靜 電防護的關注。
• 我國在石化企業發生了30多起較大的靜電事故， 其中損失達百萬元以上的有數起。
靜電放電使製導計算機阻塞,姿 態失控,約一分鐘後,火箭I、II級 過載自毀發射失敗
電爆管橋絲和殼體之間因電弧 擊穿，II級發動機自毀系統爆炸， 發射失敗
電爆管橋絲和殼體之間因電弧 擊穿，II級發動機自毀系統爆炸， 發射失敗
靜電放電使製導計算機故障後 自動轉移到應急後備狀態
靜電放電使製導計算機故障後， 經地面發射指令，修正到預定 軌道
8
代表性的培養訓練內容
• 基本知識與基本原理 • 靜電防護操作要求 • 防護器材 • 測量與標準 • 敏感度分類 • 包裝、標誌 • 防靜電工作區
9
靜電起電定義
• 靜電起電包括使正、負電荷發生分離的一切過 程，如透過固體與固體表面、固體與液體表面 之間的接觸、摩擦、碰撞，固體或液體表面的 破裂等機械作用產生的正、負電荷分離。也包 括氣體的離子化、噴射帶電以及在粉塵、雪花 和暴風雨中的帶電現象。
點非常重要。人體有感覺的靜電放電電壓在3000 ─ 5000V之間，
然而，元件發生損壞時的電壓僅幾百伏。
19
生產場所中的靜電危害源
物體或工藝加工
材料或活動
人
站起 行走 操作
工作服
椅子
組裝、清洗、測試 和維修區
20
靜電是如何產生的 小結
• 任何兩個不同材質的物體接觸後現分離即可產 生靜電。
• 摩擦的實質是一種接觸分離過程。 • 當帶電物體接近不帶電物體時會感應靜電。 • 大部分器件的靜電破壞電壓都在幾十至幾百伏，
31
靜電放電造成微電子電路
損傷的模式
• 靜電放電引發的瞬時大電流（靜電火花） 引燃引爆易燃、易爆氣體混合物或電火 工品，造成意外燃燒、爆炸事故。
• 靜電放電使人體遭受電擊引發操作失誤 造成二次事故、靜電場的庫侖力作用使 紡織、印刷、塑膠包裝等自動化生產線 受阻。第三類靜電危害是由於靜電放電 的電磁輻射或靜電放電電磁脈波（ESD EMP）對電子設備造成的電磁干擾引發 的各種事故。
• 1.元件製造過程 • 在這個過程，包含製造，切割、接線、檢驗到交貨。 • 2.印刷電路版生產過程 • 收貨、驗收、儲存、插入、焊接、品管、包裝到出貨。 • 3.設備製造過程 • 電路板驗收、儲存、裝配、品管、出貨。 • 4.設備使用過程 • 收貨、安裝、試驗、使用及保養。
35
為什麼要提升靜電防護意識
27
靜電對電子產品損害 的四個特點
• 隱蔽性︰人體感知的靜電放電電壓2-3KV • 潛在性︰操作後性能沒有明顯的下降 • 隨機性︰從一個元件產生以後，一直到它損壞
以前的所有過程 • 複雜性︰分析困難，掩蓋了失效和真正原因
28
靜電對電子產品損害的特點
1. 隱蔽性 人體不能直接感知靜電除非發生靜電放電,但是發 生靜電放電人體也不一定能有電擊的感覺,這是因 為人體感知的靜電放電電壓為2－3 KV,所以靜電 具有隱蔽性。 2. 潛在性 有些電子元器件受到靜電損傷後的性能沒有明顯 的下降，但多次累加放電會給器件造成內傷而形 成隱患。因此靜電對器件的損傷具有潛在性。

高科技工業生產中靜電危害的 形成
• 高工業生產的高速發展以及高分子材料的迅速 推展應用，一些電阻率很高的高分子材料如塑 膠，橡膠等的製品的廣泛應用以及現代生產過 程的高速化，使得靜電能累積到很高的程度，
• 另一方面，靜電敏感材料的生產和使用，如輕 質油品，火藥，固態電子器件等，工礦企業部 門受靜電的危害也越來越突出，靜電危害造成 了相當嚴重的後果和損失。
10
金屬與金屬的接觸起電
• 兩種不同的金屬I和II相接觸時，當它們之 間的距離小於25×10-10m時，由於量子力學的 隧道效應，兩種金屬內的電子穿過界面而互相 交換。
• 由於兩金屬的功函數不同，對電子的吸引力不 同，當達到平衡時，一種金屬失去電子帶正電， 另一種金屬得到電子帶負電，界面兩側出現了 等量異號電荷（偶電層），兩金屬之間產生了 一定的電位差（接觸電勢差）。
30
靜電放電造成微電子電路 損傷的模式
• 金屬布線與擴散區（或多晶）接觸孔產生火花， 使金屬和矽的歐姆接觸被破壞。
• 使節點的溫度超過半導體矽的熔點（1415℃） 時,使矽熔解，產生再結晶，造成器件短路。
• 金屬化電極和布線熔解、“球化”，造成電路 開路。
• 大電流流過PN結產生焦耳熱，使結溫升高，形 成“熱斑”或“熱奔”，導致器件損壞。
33
靜電放電造成 微電子電路損傷的模式
靜電放電強電場效應 強電場導致MOS聲效應器件的閘極氧化層被擊穿，
使器件失效。 強電聲導致微電子電路絕緣介質擊穿，或使器件
性能下降。 強電場使積體電路和精密的電子組件老化，降低
設備壽命。
34
電子工業哪些過程會 產生靜電危害
• 元件從生產到使用的整體過程中都會產生靜電，依各階 段的可分為︰
7.94
偵察兵 S-112
1964
38-42
3.09-1.86
偵察兵 5128
1964
38-42
3.09-1.86
大力神 C-10
1967
26
8.94
IIIC
大力神 C-14
1967
17
52
IIIC
德爾安 2313
1974
故障簡況及原因
靜電放電造成製導計算機故障,I 級發動機關閉前自毀,發射失敗
靜電放電造成製導計算機故障,I 級發動機關閉前自毀,發射失敗
6
靜電放電防護意義
• 1、減少損失（例如︰美國一年的損失達200多 億美金，僅電子工業的損失超過100多億美金）
• 2、提升產品性量和可靠性 • 3、提升生產效率 • 4、靜電防護回報達1︰95以上
7
靜電放電的培養訓練人員
• 領導管理人 • 設計工程師 • 現場工程師 • 維護、修理技術人員 • 倉儲人員 • 質量控制和檢測人員
• 在本世紀70前代以前，很多靜電問題都是由於 人們沒有靜電意識而造成的，即使現下也有很 多人懷疑靜電會對電子產品造成損壞。這是因 為大多數靜電損害發生在人的感覺以下,因為人 體對靜電放電的感知電壓約為3ＫＶ，而許多 電子元件在幾百伏甚至幾十伏時就會損壞，通 常電子器件被靜電損壞後沒有明顯的界限，把 元件安裝在PCB上以後再檢測，結果出現很多 問題，分析也相當困難。特別是潛在損壞，即 使用精密儀器也很難測量出其性能有明顯的變 化，所以很都電子工程師和設計人員都懷疑靜 電，近年但實驗證實，這種潛在損壞在一定時 間以後，電子產品的可靠性明顯下降
相對濕度 (65-90)%
人在地毯上走動
35
1.5
在工作台上操作
6
0.1
從工作椅上站起
18
1.5
•
17
器件所能承受的靜電電壓
器件類型 VMOS OP-AMP
靜電破壞電壓 (V)
30~1800
190~2500
•
18
幾千伏到幾萬伏
幾十伏到幾百伏
器件
人體靜電電壓
要密切注意元件在不易察覺的放電電壓下發生的損壞，這一
損傷或毀壞電子產品。
2
3
人類對靜電的認識
• 靜電學是電學中最古老的學科 • 據有資料記載,古希臘哲學家塔勒斯
(Thales)西元前640-546年在研究天然磁石 的磁性時發現用絲綢、法蘭絨摩擦琥珀 （Amber）之後也有類似於磁石能吸引輕 小物體的性質。電這個詞起源於希臘語 （琥珀）