靜電基礎(chǔ)知識

1、一、靜電的基本概念1、什么是靜電：靜電（Electrostatic）就是物體表面過剩和不足的靜止電荷.靜電是一種電能，是正電荷和 負(fù)電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果；靜電是通過電子和離子的轉(zhuǎn)移而形成的。2、靜電放電 （ESD Electrostatic Discharge）：帶有不同靜電電勢的物體，由于直接接觸或靜電感應(yīng)引起物體間的靜電電荷轉(zhuǎn)移。其放電有 兩種形式：接觸放電，電場擊穿放電。3、關(guān)于靜電放電名詞：1）靜電敏感度（ESDS Electrostatic Discharge Sensitivity）2）靜電敏感器件（ESSD Electrostatic Sensitive Devices

2、）3）EPA:ESD Protect Area（ESD 防護(hù)區(qū)域）4）ECA:ESD Control Area（ESD 控制區(qū)域）4、接地（Grounding）：電氣連接到能提供或接受大量電荷物體上（如大地、船艦或運(yùn)載工具外殼）.5、靜電存在方式：靜電依附于物體（氣、液、固體）而存在。如果物體帶有過剩的電荷則成為帶電體。物體間 的電荷轉(zhuǎn)移過程就是起電過程。6、靜電產(chǎn)生方式：靜電產(chǎn)生的方式很多，接觸、摩擦、沖流、冷凍、電解、壓電、溫差等都可以產(chǎn)生靜電。但 基本過程可歸納為：接觸-電荷轉(zhuǎn)移-偶電層的形成-電荷分離7、靜電產(chǎn)生大小關(guān)系：靜電的產(chǎn)生及其大小與環(huán)境濕度和空氣中的離子濃度有密切的關(guān)系。在高

3、濕度環(huán)境中由于物 體表面吸附有一定數(shù)量雜質(zhì)離子的水分子，形成弱導(dǎo)電的濕氣薄層，提高了絕緣體的表面電導(dǎo)率， 可將靜電荷散逸到整個材料的表面，從而使靜電勢降低。所以，在相對濕度高的場合，如海洋性 氣候地區(qū)（如我國的東南沿海地區(qū)）或潮濕的梅雨季節(jié)，靜電勢較低。在相對濕度低的場合，如大 陸性氣候地區(qū)（如我國的北方地區(qū)）或干燥的冬季，靜電勢就高。與普通場所相比，在空氣純凈的 場所（如超凈車間）內(nèi)，因空氣中的離子濃度低，所以靜電更加容易產(chǎn)生、8、靜電放電的三種方式:1）帶電人體的放電方式（HBM）由于人體會與各種物體間發(fā)生接觸和磨擦，又與元器件接觸， 所以人體易帶靜電，也容易對元器件造成靜電損傷。普遍認(rèn)為

4、大部分元器件靜電損傷是由人體靜 電造成的。2）帶電機(jī)器的放電方式（MM）機(jī)器因為摩擦或感應(yīng)也會帶電。帶電機(jī)器通過電子元器件放電也會造成損傷。這類就叫做：機(jī)器放電的模型（Machine Model）3）充電器件的放電模型（CDM）在元器件裝配、傳遞、試驗、測試、運(yùn)輸和儲存的過程中由 于殼體與其它材料磨擦，殼體會帶靜電。一旦元器件引出腿接地時，殼體將通過芯體和引出腿對 地放電。這種形式的放電可用所謂帶電器件模型（Charged-Device Model，CDM）來描述二、靜電危害：當(dāng)某些電介質(zhì)、導(dǎo)體帶上靜電荷后，盡管所帶電荷量不多，但由于自身對大地分布電容非常 小，使得靜電電位較高。當(dāng)垂直于帶電物

5、體表面的靜電電位達(dá)到2000伏時，就會向空氣放電。1、在日常生活中的ESD現(xiàn)象：我們都親身經(jīng)歷過。譬如，在冬季一間溫暖的房間里，走在覆蓋地毯的地面時，當(dāng)你伸手接 觸門的把手時，就會有電擊的感覺；脫下合成纖維衣服時產(chǎn)生噼啪聲，夜間還可以看到火花（空 氣的擊穿場強(qiáng)為30kv/cm）；天氣干燥時，用塑料梳子梳頭時會產(chǎn)生放電聲。對于人體而言，這 種靜電的突然放電不會造成任何傷害；可是，對于ESDS （靜電放電敏感器件）器件，靜電放電就 可能損害電子器件。ESD對電子器件的損害是人體覺察不到的，具有隱蔽性，需通過儀器才能檢 測出2、電子器件的靜電放電：電子器件發(fā)生ESD事件，主要是各種靜電源（人體、工作

6、臺等）對電子器件放電所致。在集 成電路（integrated circuit）X業(yè)中，靜電放電可以使集成電路芯片介質(zhì)擊穿，芯線熔斷、漏 電流增大加速老化、電性能參數(shù)改變等等。靜電放電對電子器件損害具有潛在和緩慢失效性，這 種情況危害更大。通常，ESDS （靜電放電敏感器件）器件易發(fā)生靜電放電，所以，受ESD的危害 更大。大多數(shù)電子器件采用對靜電極為敏感的MOS工藝制作，無論從器件的發(fā)展還是器件的應(yīng)用 出發(fā)，為了防止ESD對電子器件的危害，有必要對電子器件受靜電危害的機(jī)理以及相應(yīng)的防護(hù)措 施進(jìn)行探討。闡明電子器件ESD產(chǎn)生的原因，并對IC的ESD保護(hù)提供指導(dǎo)。3、靜電具有以下特性：1）隱蔽性：除

7、非發(fā)生靜電放電，人體不能直接感知靜電，但發(fā)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23kv，所以靜電具有隱蔽性。2）潛在性：有些會受到靜電損傷后的性能沒有明顯的下降，但多次累加放電會給IC器件造 成內(nèi)傷而形成隱患。因此靜電對IC的損傷具有潛在性。3）隨機(jī)性：IC什么情況下會遭受靜電破壞呢?可以這么說，從一個IC芯片產(chǎn)生以后一直到 它損壞以前，所有的過程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)生也具有隨機(jī)性，其損壞也具有隨 機(jī)性4）復(fù)雜性：靜電放電損傷的失效分析工作，因微電子IC產(chǎn)品的精、細(xì)、微小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而費(fèi)時、費(fèi)事、費(fèi)財，要求較高的技術(shù)并往往需要使用高度精密儀器，即使

8、如此，有些靜電損傷現(xiàn) 象也難以與其它原因造成的損傷加以區(qū)別；使人誤把靜電放電損傷的失效當(dāng)作其它失效，這在對 靜電放電損害未充分認(rèn)識之前，常常歸因于早期失效或情況不明的失效，從而不自覺地掩蓋了失 效的真正原因。所以分析靜電對IC的損傷具有復(fù)雜性。4、ESD對電子器件侵害方式1）靜電源直接對電子器件放電ESD事件常常發(fā)生在帶電導(dǎo)體（包括人體）對ESDS的放電過程中。一般的靜電危害是人體或 帶電導(dǎo)體直接對ESDS放電造成。2）帶電器件對其他導(dǎo)體的靜電放電當(dāng)靜電放電敏感器件在操作過程中，或者與包裝材料、機(jī)器表面接觸后，就會積累靜電荷。當(dāng)器件在包裝盒移動或震動時就會發(fā)生靜電放電。這種放電情況，涉及的電容

9、和能量不同于人體 對ESDS器件的放電情況。在某些情況下，CDM事件比HBN事件所造成的危害更大。3）電場感應(yīng)放電感應(yīng)場可以直接或間接對地造成危害。因為任何帶電體周圍都存在靜電場。如果ESDS器件 進(jìn)入靜電場范圍，就會因為感應(yīng)而帶電。如果器件在電場區(qū)域內(nèi)接地，電荷轉(zhuǎn)移到地的過程稱為 CDM事件。人體帶電電壓電沖擊程度備注1,000 V幾乎感覺不到.微小的放電聲音發(fā)生看到發(fā)光手指頭放電發(fā)光.2,000 V用手指頭接觸稍微感覺到.2,500 V放電部分感覺被針扎到3,000 V感覺稍微疼，感覺到被針扎的感覺4,000 V感覺是手指頭被針扎的比較深.5,000 V手心和手腕也感覺到電沖擊6,000

10、V手指頭及胳膊感覺到很強(qiáng)的電沖擊。7,000 V手指頭，手心感覺到很強(qiáng)的疼痛及麻痹的感覺8,000 V手心到手腕感到麻痹9,000 V手腕和胳膊感覺到疼痛和感到麻痹.10,000 V手全部疼痛和感覺到通電。11,000 V手指頭感到麻痹和手受到強(qiáng)的電沖擊12,000 V因受很強(qiáng)的沖擊全身感到疼痛.5、靜電損傷的兩種失效形式1）硬損傷：又稱“突發(fā)性完全失效”、“一次性損壞”，約占10%。表現(xiàn)為器件電參數(shù)突然 劣化，失去原有功能。主要原因是靜電放電造成過壓使得介質(zhì)被擊穿，或過流使得內(nèi)部電路金屬 導(dǎo)線熔斷、硅片局部融化等。硬損傷可通過常規(guī)的性能測試手段及時發(fā)現(xiàn)，相對軟失效而言危害 要小得多。2）軟損

11、傷：又稱“潛在性緩慢失效”、“多次損傷累積后失效”，約占90%。受到軟損傷的 器件，雖然當(dāng)時各類電參數(shù)仍合格，然而其使用壽命卻大大縮短了。含有這些器件的產(chǎn)品或系統(tǒng)， 可靠性變差，可能會在后續(xù)過程中（直至最終用戶）繼續(xù)遭受ESD軟損傷或其它過應(yīng)力損傷積累 而過早地失效。由于軟損傷是潛在的，運(yùn)用目前的技術(shù)還很難證明或檢測出來，特別是器件被裝 入整機(jī)產(chǎn)品之后，因此具有更大的危害性。這些產(chǎn)品流入市場后的維護(hù)成本和造成的其它損失， 將比在生產(chǎn)中發(fā)生的直接損失要放大幾十甚至上百倍！多數(shù)未采取保護(hù)措施的元器件靜電放電 敏感度都是很低，很多在幾百伏的范圍，如MOS單管在100-200V之間，而且這些單管是不能

12、增 加保護(hù)電路的；一些電路尤其是CMOS IC采取了靜電保護(hù)設(shè)計，雖然明顯的提高抗ESD水平，但 大多數(shù)也只能達(dá)到2000-4000V，而在實際環(huán)境中產(chǎn)生的靜電電壓則可能達(dá)到上萬伏。因此，沒 有防護(hù)的元器件很容易受到靜電損傷。隨著元器件尺寸的越來減小，這種損傷就會越來越多。所 以，絕大多數(shù)元器件是靜電敏感器件，需要在制造、運(yùn)輸和使用過程中采取防靜電保護(hù)措施。列 出一些沒有靜電保護(hù)設(shè)計器件的靜電放電敏感度。器件類型實例靜電敏感度（單位kV）MOSFET3CO、3DO系列0.1-0.2JFET3CT系列0.14-1.0GaAs FET0.1-0.3CMOSCO00、CD400系列0.25-2.0H

13、MOS6800系列0.05-0.5E/D MOSZ80系列0.2-1.0VMOS0.03-1.8ECL電路EOOO系列0.3-2.5SCL（可控硅）0.68-1.0S-TTL54S、74S系列0.3-2.5DTL7400、5400系列0.38-7.0石英及壓電晶體10.0三、靜電防護(hù)1、ESD控制的基本原則1）做好ESD防護(hù)設(shè)計：器件選型、合理布線、設(shè)計保護(hù)電路等。2）消除和減少靜電的產(chǎn)生：減少或消除靜電產(chǎn)生的過程、維持過程和材料處于等電勢等。3）使靜電荷瀉放與中和：使用靜電導(dǎo)體、接地、電離器來瀉放與中和靜電。4）保護(hù)產(chǎn)品免遭ESD傷害：使用防靜電材料包裝和儲運(yùn)。2、防靜電區(qū)設(shè)計原則1）抑制靜

14、電荷的積累和靜電壓的產(chǎn)生。如設(shè)備、儀器、工裝不使用塑料、有機(jī)玻璃、普通塑 料袋。2）安全、迅速、有效地消除已產(chǎn)生的靜電荷，使用有繩防靜電腕帶、防靜電椅、防靜電周轉(zhuǎn) 車、防靜電周轉(zhuǎn)箱。3）保證靜電壓小于100V。3、防靜電系統(tǒng)要素1）地面：防靜電地面（防靜電水磨石，防靜電地板）體電阻105109。，敷設(shè)地線網(wǎng)。2）工位：（見附圖）3）接地：防靜電工作區(qū)必須有安全可靠的防靜電接地裝置，地電阻小于4。防靜電地線不得 與電源零線相接，不得與防雷地線共用，使用三相五線制供電時，其地線可以作防靜電地線。工作臺面、地墊、坐椅和其它導(dǎo)靜電的ESD保護(hù)設(shè)施均應(yīng)通過限流電阻接入地線，腕 帶等應(yīng)通過工作臺頂面接地點(diǎn)

15、與地線連接，工作臺不可相互串聯(lián)接地。防靜電工作區(qū)接地系統(tǒng)，包括限流電阻和連接端子應(yīng)連接可靠并具有一定載流能力， 限流電阻阻值選擇應(yīng)保證漏泄電流不超過5mA，下限值取為1M。4）溫濕度：2030C，相對濕度3070%。5）增濕：增濕器使空氣潮濕，防止靜電荷積累，此法不適于增濕后會產(chǎn)生有害影響的場地。6）人體：穿防靜電工作服、工作鞋，戴有繩防靜電腕帶、手套、指套等。7）包裝：靜電敏感器件應(yīng)采取防靜電保護(hù)性包裝，如防靜電袋、防靜電盒等。8）貯存、運(yùn)輸：靜電敏感器件必須存放在防靜電容器（箱、袋）內(nèi)，并用防靜電運(yùn)輸工具（箱、車）周轉(zhuǎn)。貯運(yùn)中要遠(yuǎn)離靜電場、電磁場或放射場，如電腦顯示器頂部。4、人員防靜電接

16、地技術(shù)要求1）人員防靜電接地應(yīng)使用腕帶、工鞋等。2）所有生產(chǎn)操作員工進(jìn)入防靜電區(qū)域必須著裝防靜電工鞋工衣；外來人員進(jìn)入防靜電區(qū)域穿 防靜電鞋套和穿防靜電衣。3）進(jìn)入防靜電區(qū)域的所有作業(yè)人員、物料員、技術(shù)員、工段長等，及在現(xiàn)場辦公的其他人員， 每天上班前應(yīng)對自身人體綜合電阻進(jìn)行測試，對有可能要接觸產(chǎn)品的人員，還應(yīng)進(jìn)行防靜電腕帶 測試，并保存測試結(jié)果，做好測試記錄。4）進(jìn)入防靜電區(qū)域前必須應(yīng)對人體綜合電阻進(jìn)行測試，如果外來人員有可能要接觸產(chǎn)品，也 應(yīng)進(jìn)行防靜電腕帶測試，并保存測試結(jié)果做好測試記錄。5）防靜電腕帶或人體綜合電阻測試未通過者，不得進(jìn)入防靜電區(qū)域，更不得接觸ESSD（靜電 敏感器件）及組

17、件。人體綜合電阻測試、腕帶測試未通過的，必須立即查找原因并作出相應(yīng)處理， 直至合格為止。5、腕帶接地要求防靜電腕帶與皮膚應(yīng)保證接觸良好，并接入防靜電地線系統(tǒng)，在戴腕帶的皮膚上不得涂護(hù)膚 油、防凍油等油性物。6、工鞋接地要求1）防靜電鞋內(nèi)不得墊鞋墊。2）為了使人體靜為了使人體靜電能很好的通過工鞋、鞋跟瀉放，操作人員要求穿棉襪。3）保持工鞋干凈清潔。四、防靜電要求1、工廠一般防靜電要求（基礎(chǔ)部分）1）防靜電腕帶使用前一定要先檢查（每天至少一次）。2）所有靜電敏感元器件、機(jī)板在不使用的狀態(tài)下一定要用防靜電袋或防靜電箱包起來或裝 起來。3）無靜電防護(hù)時不可接觸機(jī)板和靜電敏感元件。4）機(jī)板所用的墊子應(yīng)該

18、是防靜電的，氣泡袋也應(yīng)該是防靜電的。5）工作人員要保護(hù)自己的地盤：不讓無防靜電措施人員接觸自己的臺面、機(jī)板、元件。6）把所有未知的元器件都當(dāng)作靜電元器件看待。7）工作臺上不可放多余的包裝材料。8）進(jìn)入防靜電工作區(qū)前要進(jìn)行靜電放電。9）流動人員手拿元器件、機(jī)板時必須有防靜電措施，如：戴防靜電手套或元件機(jī)板用防靜 電袋包裝。10）轉(zhuǎn)移元器件、機(jī)板必須做防靜電措施。2、ESD防護(hù)中常發(fā)現(xiàn)的錯誤（基礎(chǔ)部分）1）腕帶在衣袖上，未與皮膚接觸。2）腕帶松動，與皮膚表面積接觸不良。3）腕帶夾在桌面上，桌面的另一側(cè)才接地。4）使用白色泡沫墊機(jī)板。5）箱子無防靜電屏蔽蓋。6）特殊場合才帶腕帶。7）使用白色鐵氟龍光頭烙鐵。8）使用一般的塑膠包裝材料包裝。9）用普通溶劑清洗工作臺表面。10）粉紅色就是抗靜