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ESD基础知识
惠州直通电源有限公司
目录
前言……………………………………………………………………………………3
第一章静电基本理论……………………………………………………………4-5
第二章ESD及其危害……………………………………………………………6-8
第三章ESD控制…………………………………………………………………9-12
前言
九十年代是电子工业高速发展的时期，日益剧烈的竞争，使得企业必须不断地降低制造成本，提升产品质量，才能在竞争中求生存，才有可能永续经营。
对于电子工业，ESD对产品的质量、产品的可靠性、生产效率等都有非常大的影响，专家们估计，由于ESD损坏的电子产品，可达制程损坏8~33%的范围之多。
可见，在制程控制方面，电子产品生产环境的ESD控制，仍是品质改进的关键要素之一。
我们公司于2000年初才真正开始电子产品的生产制造，对于电子产品的质量管控，我们需要不断努力去做好，而在制程ESD控制方面，我们亦必须采取有效的措施去预防电子产品被损坏，因此，在去实施预防控制之前，我们应该对ESD的相关基础知识有比较全面的了解及理解，才能很好地去运用这些知识去订定方案去防止ESD问题对产品的损坏。
第一章静电基本理论
一．静电的定义
静电是物体表面过剩或不足的静止电荷。
静电是一种电能，它留存于物体表面：
静电是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果，它亦是通过电子或离子转移而形成的。
二．静电的特点
1．在一般工业生产中，静电具有高电位、低电量、小电流和作用时间短的特点，设备或物体上的静电位最高可达数万伏至数十万伏；在正常操作条件下也常达数百或数千伏，这远比市用低压电220／380V高得多，但所积累的静电量却很低，静电电流多为微安级；作用时间多为微秒级。
2．静电受环境条件，特别是湿度的影响较大，湿度越小，则越容易产生静电；静电测量时复现性差，瞬间现象多。
三．静电的产生原理
1．静电的产生。
静电一般由物体通过接触，分离而产生。
主要产生方式为摩擦；冷冻，电解，温差，接触等同样会产生静电。
其基本过程可归纳为：
接触→电荷转移→偶电层形成→电荷分离
2．静电产生的原理。
从微观角度来看，一般来说，物体是由一种叫原子的微粒构成的，而原子是由带正电（＋）的质子和带负电（－）的电子及不带电的中子组成，一般物体具有相同数量的质子及电子，所以整体上不带电，当两物体紧密接触后分离，电子就会从一个原子转移到另一个原子上，从而造成两物体所带电子数量不相等：
得到电子之物体带负电，失去电子的物体则带正电，所以均会呈现出电性。
电子转移的多少，与物体间的接触面积、分离速度、相对潮湿度等有很大的关系。
四．材料的特性以及其对静电的影响。
实际上，所有的物体，包括水和空气中的尘埃微粒，都能够摩擦起电，但一般在导电性较强的物体上静电现象一般难于体现，这主要是与物体的导电特性有关。
1．绝缘材料
能够阻止或限制电流（子）从其表面或内部流动的材料。
绝缘材料具有很高的阻抗，由于电子不易在绝缘体上流动，所以正负电荷能够同时留在其表面不同位置，即使其表面某一位置的多余电子与另一位置欠缺的电子数量相等，理论上可以中和而呈现中性（不带电），但由于在绝缘体上电子很难流动，不同位置的电荷很难中和，那幺会它们会存留在原处很长一段时间而呈现电性。
2．导电材料
导电材料具有较低的阻抗，电子在其表面或内部能容易流动。
当导体上有过剩或不足之电子时，它们均能很均匀地分布，当带电的导体与另外导体接触，这些电子很容易转移，假如另一导体接地，则多余的电子会流向大地而达到电荷中和呈不带电状态。
2．静电耗散材料
电阻率介于导体和绝缘体之间，表面电阻率等于或大于105Ω／cm2但小于1012Ω／cm2，体积电阻率等于或大于104Ω.cm2,但小于1011Ω.cm2的材料，这种材料的静电荷在其表面移动速率远低于导体，但高于绝缘体，当受到摩擦时，表面产生的电荷可以较快地扩散和泄漏，不会造成材料放电，可作为ESD防护材料。
五．静电的危害
1．静电吸咐
物体正负电荷失衡，形成静电位，从而产生电、磁场，其磁场力使生产现场的浮游尘埃被吸咐于IC及其它元器件上，以影响元器件使用寿命及使其工作失效。
2．静电放电（ESD）引起元器件击穿
制造流程加工中，由于产品与人或其它物体接触――分离，摩擦，感应等作用使工作人员，工具，工作台面之器件，包装容器等产生静电，其聚集过多释放，产生瞬时高压，远超元器件破坏性电压，从而使元器件击穿。
3．静电感应
制造过程中产生的静电源（人体，工作服，工作台等），形成静电场，从而使置于其中的元器件感应出正或负静电荷，造成损害。
4．静电的积累及释放
1）绝缘体最易积累静电，能高达上万伏，且不能通过接地导走。
2）金属体亦可以积累静电，但可以通过接地导走电荷。
3）静电的积累与释放时刻都在进行（物质之间或物质向空气中）。
4）产品上的静电积累太高或释放速度太快，便会造成产品ESD。
六．静电实例
A冬天脱衣服时产生的火花；
B摩擦一些非金属物品，如计算器，圆珠笔，线，胶管，胶盒，DP碟盒，螺丝柄等能吸附一些薄纸片。
C开关电视机或生产线上的电脑屏幕时，从屏幕上会辐射出电场，并伴有响声。
D地毯上当人行走时，产生静电高达5000V。
E非静电衣袖与桌面摩擦，静电高达800V。
F人不带手腕带，人与坐凳摩擦，静电高达600V。
G电脑开机时以及局炉开关运作时，其静电电磁波造成辐射电场损坏产品。
H产品放在离电源线近的地方，有交变电场造成感应静电场损坏产品。
第二章ESD及其危害
一．ESD的定义
ESD指的是静电放电（Electro StaticDischarge）ＥＳＤ通常发生在不同电位势的物体相互靠近或接触的瞬间，电荷由一个物体转移到另外一个物质，它们之间的关系遵循以下基本公式：
Ｕ＝Ｑ／Ｃ
其中Ｕ表示电压，Ｑ表示电荷数量，Ｃ表示电容。
*所以即使电荷不多，只要电容足够小，也可以产生很高的静电电压，静电最常用的单位是伏或毫安。
二．ESD的分类
ＥＳＤ－１
极尖位有黑点，在５００Ｘ镜下能看到
ＥＳＤ－２
极尖位正常，但电阻变化超过０.５欧姆，可通过万用表测试
ＥＳＤ－３
极尖正常，但DP参数（如TAA；COVPin等方面），有些通过DPtester测试，但有些不可通过DPtester测试。
静电坏品无论从各方面比较，其性能都比正常产品差，所以，不能返工静电坏品。
三．ESD的损伤模型和失效模式。
半导体器件的生产、封装、传递、试验、运输整机调试及现场运行，都可能因静电放电损伤而失效。
ESD引起半导体器件损伤，使器件立即失效的几率约为10％（短路，断路，无功能，参数不符要求），而90％的器件则是引起潜在性损伤，损伤后电参数仍符合规定要求，但减弱了器件抗过电应力的能力，在使用时容易出现早期失效。
因而静电损伤不仅不易发现，而且还会严重危害器件的可靠性。
1．ESD损伤其产生的根源在于流向产品的静电或释放静电过高所致。
其可分为三类基本模型。
1）组件自身放电模型CMD（ChargeDeviceModel）
组件向被接触物体作电荷转移的快速放电。
产品由于摩擦或处在电场中，其尖端部分必然会带上电荷，当产品接触其它导电体时，电荷会剧烈释放。
例如：
在使用金属钳时，切忌去接触HGA线尾或板仔，以防止产品与金属直接接触，L/G夹具由于其表面为金属，其表面也须覆盖一层防静电材料。
2）人体带电模型HBM（HumanBodyModel）
人体接触组件时身体放电。
例如，人体带有静电时，用手指去触摸产品，静电从皮肤表面向产品释放。
通常人体电容量为100~250PF，它取决于人体与地的接近程度及其它多种因素。
人体电阻值为1~2KΩ，它包括人体与被放电器件间的接触电阻，这取决于接触压力和皮肤的湿度。
在放电过程中，这些能量约以十分之一微秒的时间通过人体和器件电阻释放，并耗散在人体和器件电阻上，在这样短的时间内，平均脉冲功率可达几千瓦。
如此大功率的短脉冲，足以烧毁器件。
3）电场感应模型FIM（FieldInducedModel）
当器件处于静电场环境中时，由于电场力的作用，器件内部将感应出电荷及引起电位差，所感应的电位差可以引起器件的击穿，或位于静电场的器件马上接地，则器件上的电荷会转移大地从而放电。
2．ESD损伤的失效模式
1）突发性完全失效
突发性完全失效是器件的一个或多个电参数突然劣化，完全失去功能的一种失效。
通常表现为开路，短路以及电参数严重漂移。
◆与电压相关的失效：
如介质击穿，PN结反向漏电、增大、金属体损伤等。
◆与功率有关的失效：
如金属熔化，多晶电阻断，硅片局部区域熔化等。
2）潜在性缓慢失效
对某些集成电路，虽然PN结已受到ESD损伤，但电路的电参数退化并不明显，仍能正常工作，只给电路留下了隐患，但该电路在以后的加电工作中，参数退化逐渐加重，从而使产品失去功能，这种失效在现有的技术条件下几乎无法鉴别．
3）常见的静电放电损伤失效现象
◆高频小功率二极管：
反向漏电流增加，击穿电压降低．正向压降减小，电极金属变质等．
◆高频小功率三极管：
EB结反向漏电流增大。
β值减小，噪声系数增大，电极金属变质。
◆MOS集成电路：
输入或输出端漏电流增加，参数退化或失去功能。
◆引起多层布线间的介质击穿短路。
◆引起薄膜电阻熔断或阻值漂移。
四．生产环境中的典型静电源
1．人体静电
在工业生产中，作为操作者的人体是最主要的静电发生源之一。
人体静电导致元器件击穿损坏和对电子设备运行产生干扰的主要原因。
人体静电主要是人的行动、包括人体与衣服、鞋袜等其它物体摩擦、接触、分离、静电感应或直接触及静电体而产生。
1）步行起电
在绝缘地面如橡胶、木板、毛毯等地面上，腿的来回移动和抬起及衣服与人体的摩擦都可以产生静电。
起电大小与步行方式，快慢，鞋底类型和地面电阻有关。
2）摩擦起电
人行动时，衣物间摩擦或者脱衣服、袜子、帽子等的剥离动作引起静电产生。
3）静电感应起电
人体系静电导体，当带电的物体靠近不带电的人体时，由于静电感应现象，人体出现电量相等符号相反的感应电荷。
2．工作服
作业人员穿用的普通工作（化纤和纯棉制）与工作台面、工作椅摩擦时可产生6000V以上的静电电压并使人体带电。
当作业人员手持集成电路或工作服与工作台面放置的元器件接触时，即可导致放电。
3．工作鞋
一般工作鞋（橡胶或塑料鞋底）的绝缘电阻高达1013Ω以上，当与地面摩擦时产生静电荷使人体和所穿服装带静电，从而对元器件的生产带来不良影响。
4．树脂、浸漆封装表面
电子工业用许多元器件需要用高绝缘树脂、漆封装表面，这些器件放入包装后，因运输过程的摩擦，在其表面能产生几百伏以上的静电电压，造成器件产生不良影响。
5．各种包装的容器
用PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、PS（聚苯乙烯）、造成器件芯片击穿。
PUR（聚氨脂）、ABS、聚树脂等高分子材料制备的包装和组件盒都可因摩擦、冲击产生静电荷，对所包装器件产生不良影响。
6．终端台、工作台表面受到摩擦产静电，可对放置其上的电子器件放电。
7．各种绝缘地面
混凝土、打腊抛光地板、橡胶板等都可因摩擦产生静电。
另外因其较高绝缘电阻，作业人员带静电在其上时，不会短时间将静电荷泄漏。
8．空气压缩机
利用空气压缩机的喷雾、清洗、油漆、喷砂等设备都可因空气剧烈流动或介质与喷嘴摩擦产生大量静电荷。
带电介质接触到电子器件时可造成损坏。
9．某些电子生产设备
焊烙铁、波峰焊机等某些元器件装配设备的高压变压器、交直流电路都可在设备上感应出静电电压，可使元器件在装配过程中失效。
第三章ESD控制
一．前言
ESD控制是一项复杂的工作，我们都必须非常重视，前两章我们已经学习了静电及ESD的基础知识，目的主要是要大家详细了解静电的产生及ESD的形成及危害，然后在我们的电子产品生产，储存环境中更好地去预防，尽最大可能降低静电对产品的损坏，谈到ESD的控制，我们须明白ESD控制的目的主要就是控制静电的产生，积累和释放。
因此在人、机、料、法、环五个方面都须作控制。
二．ESD控制原理
1．静电泄漏和耗散
将各种操作运行过程中产生的静电荷迅速泄漏和耗散是防止静电危害行之有效的方法，静电泄漏是通过替换电子生产过程中接触到的各类绝缘物，包括各种工装夹具和制品，而改用防静电材料并使之接地来完成的。
2．静电中和
静电中和是消除静电的重要措施之一。
在某些场合中，当不便使用ESD防护材料时，或须将些高绝缘易产生静电的用品存放于工作台或工艺线上时，为了保证产品质量就必须对操作环境采取静电中和措施。
静电中和是借助离子静电消除或感应式静电刷来实现的。
静电中和原理：
将正负离子与静电源上的正负电荷中和，从而消除静电源上积累的静电。
3．静电屏蔽与接地
静电屏蔽及接地通常用于对高压电源产生的静电场屏蔽、某些对静电极敏感电路的屏蔽，从而避免静电场对元器件的感应和静电入电产生的宽频带干扰。
屏蔽的作用是通过将一个区域封闭起来的壳体实现的，壳体可以是金属，也可以作成电缆屏蔽和连接器屏蔽，屏蔽的壳体一般有实芯型，非实芯型（如金属网）和金属编织带几种类型，后者主要用作电缆的屏蔽。
4．增湿
湿度增加则非导体材料的表面导电率增加，使物体积蓄的静电荷可以更快地泄漏。
三．ESD的控制方法
1．人的控制
人的控制的目的是把人体静电导向大地。
1）防静电工作服
◆作用：
屏蔽并导走人体产生的静电。
防静电工作服是用防静电织物为面料而缝制工作服。
防静电织物是在纺织时，大致等间隔地或均匀地混入导电纤维或防静电合成纤维或两者混合交织而成的织物。
（导电纤维是指全部或部分使用金属或有机物的导电材料或亚导电材料制成的纤维的总称。
其体积电阻率介于105Ω.cm~109Ω.cm。
防静电工作服表面摩擦电压不得超过50伏。
3）防静电工作鞋、袜
◆作用：
将人体运动时产生静电导走。
防静电工作鞋的鞋底是用电阻变化小的导电性物质制作的工作用皮鞋、布鞋、胶鞋、拖鞋等。
鞋底是制作防静电鞋的关键材料，要求鞋底必须具有使人体通过鞋底与大地构成回路的材料和结构，以使人体产生的静电能向大地泄漏掉。
穿用防静电鞋必须配用薄型尼龙袜或混有导电纤维的袜子；而不应穿毛线的化纤的厚袜子；穿用时亦不得另附垫，特别是绝缘性鞋垫。
4）防静电手腕带
◆作用：
直接将人体静电导向大地。
防静电腕带与皮肤直接接触，是一种通过接地而把人体皮肤静电导走的装置。
它主要由松紧圈和接地组件组成。
使用防静电手腕带时应注意：
★手腕带是利用它与人体皮肤的接触而把人体静电迅速泄漏的装置。
所以，操作人员的皮肤是否与腕带接触良好是发挥腕带泄漏静电作用的关键，在使用过程中须切实注意这一问题。
为此，戴用手腕带前可用防静电清洗液擦拭腕部皮肤，以减小干燥皮肤的高电阻。
★所串接的保护电阻在使用中应注意不要脱落，以免失去保护作用，为此，可将保护电阻尽量安装在腕带与皮肤的接触点附近，减少腕带与地短路的机会。
★使用时的连接方法一般是将腕带的接地线通过一公共端子与工作台的导电台垫相连。
垫子的接地线再通过公共端子与静电接地线相连。
5）防静电手套
◆作用：
防止人体污染传到产品上。
因为电子产品的洁净要求，人员在接触产品时，一定要先戴好手套，拿取产品时不会造成产品脏污及起到一定防静电作用。
2．机器/设备的控制
机器/设备的控制目的是把机器械/设备上静电导向大地。
1）与产品直按接触的机器，夹具。
▼由于不接地金属较容易积累静电，因此，所有机器（有源设备）外壳及金属部分都要接地，接地电阻要小于1欧姆，使其保持零电位。
▼所有不流拉的金属夹具（无源设备）都要接地，接地电阻为0.8~1.2兆欧姆。
这样做,一方面使金属夹上具保持零电位，另一方面可以防止杂乱信号能量沿地线反冲上来。
机器的接地也要作定期检测。
一般规定一周一次。
当员工发现地线断时，必须先停止手中工作，通知上司联系技术人员维修。
2）防静电桌
◆作用：
将桌面因摩擦产生的静电导向大地。
防静电桌的拉接地线一端一定要接到铜极CGP（CommonGroundPoint）上并用螺丝锁紧。
防静电桌的结构分三层，表面为静电消散材料，中间为导电材料，底面为普通材料，这样可以使静电从表面流向中间一层，并通过中间那一层的接地线流入大地。
3）防静电凳
◆作用：
将人体与坐凳摩擦产生的静电导向大地。
防静电凳的防静电性能必须定期抽检。
坐凳由金属轮支撑，目的是减少轮与地板的按触电阻。
3．料的控制
料的控制目的是消除高静电物料，以及采用能安全释放静电的防静电材料。
防静电材料主要具有如下特征：
◆电阻范围为105~109欧姆；
◆摩擦电压不超过50V；
◆静电的衰减时间不过超过3秒。
具有以上特性的材料可认为是ESD安全材料。
1）防静电钳
◆作用：
防止手套与钳子摩擦产生静电。
防静电钳包括黑胶钳，TDI灰胶钳子，TDI灰头钳。
由于其电阻较大，所以通过钳子的电流将被衰减到一个安全范围，在生产上，凡与HGA线尾或板仔接触的工序中，一律禁止使用金属钳。
2）防静电包装盒
除生产线外，所有产品应放在包装盒内或黑胶架上，原因是这些包装盒与黑胶架是防静电材料，起到一种安全传导静电作用。
3）高静电材料
如果生产线上确实出于工序的需要而不能消除高静电材料，则采用屏蔽静电场的办法。
4．工序控制
工序控制到最小限度，尽量减少人手接触产品的机会。
1）工位的控制
每个工位旁过不得聚集超过3人，以影响环境静电。
2）堆货的高度
对产品来说，堆货高度不得过高，因为堆货超高，会导致导走静电的时间就越长，容易对产品造成危害。
堆货地方，包括包装工位，一定要有防静电措施，如使用离子风机，防静电桌面，接地的不锈钢架等。
3）裸体放电
产品线尾在与一个工序接触前，如果其接触面是金属，则要前一个工序操作前需要裸指放电。
裸体放电的目的是先把积累在产品上的静电安全导走，以避免贮存在产品上的静电与下一个工序的金属接触形成剧烈放电，由于人体的电阻属于安全消散材料，所以在人体接地后，可以用裸体指直接接触产品进行放电。
5．环境控制
1）接地控制
地线是ＥＳＤ防护系统的根本所在，ＥＳＤ防护系统主要有四部分构成，如下图
各使用设备包括人
生产线分地线
Ｐlant
◆ＥＳＤ地线电位为零电位，但因为接地系统本身会带一些微弱的信号能量，表现为一种高频的静态电流形式，一般地线静电流的控制要求为不超过１０毫安。
◆所有设备／夹具的接地端都要用螺丝接到铜板上，且禁止使用锷鱼夹，因为锷鱼夹与铜板接触不牢靠。
2）地板
◆防静电车间内所有地板应为防静电地板，能传导静电，其结构为碳纤维流向大地。
◆地板必须与ESD地线相连接地。
◆员工工作时防静电鞋必须踏在地板上或桌子（凳子）金属脚步上。
3）离子风机
离子风机的作用是中和静电（主要针对不接地导体及绝缘体）。
其作用原理是发射出等量正负离子。
用风扇子风吹到操作工位，其中一部分离子将中和高静电异性离子，其余同性离子将被吹到远处，被环境吸收。
◆离子风机是ESD防护的关键设备。
使用过程中其性能必须定期测试，一个月一次。
◆离子风机必须要开在中档或以上且面对操作区域，以保持足够的离子风去中和局部操作工位，如果使用交流离子风机，前面6英寸范围内不得放任何物品，原因是交流离子风机周围有很强的交变电场这将会形成感应静电。
◆离子风机必须定期清洁，清洁时旋转风口刷扭，建议清洁周期每班一次。
原因是离子针带电时易粘尘粒。
4）湿度控制
防静电车间湿度控制范围：
55%~70%。
湿度越高，静电越低。
原因是当工场的相对湿度小于55%时，绝缘体之间的摩擦电压会超过30V，但在相对湿度大于55%时，其摩擦电压会小于30V，相对湿度控制上限为70%原因仅为了防止某些金属生锈。
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