ESD Base.docx

1、ESD Base（一）静电的基本概念一静电及其与工业用电的区别静电并不是静止不动的电，而是指电荷在空间稍为缓慢移动，其磁场效应比起电场的作用可以忽略的电。由于电荷和电场存在而产生的一切现象均称为静电现象。从电的本质及一般所具有的特性、规律来看，静电与工业用电是一样的，但二者具有明显的区别。（1）起电方式不同一般工业用电是由电磁感应原理产生，而静电，除静电技术应用和少数情况例外，大量的是因接触、摩擦、分离而起电的。（2）能量相差很大静电在空间积蓄的能量密度（1/20E2）一般最大不超过45焦耳/米3（J/m3），而电磁机器空间积蓄的能量密度（1/20H2）却很容易达到106焦耳/米3（J/m3）

2、，二者能量相差可达105倍。（3）表现形式不同静电电位往往高达几千伏，甚至几万伏，而工业用电常用相电压220伏，线电压380伏。静电电流很小，常为毫微安（10-9A）数量级，工业用电则常用安培（A），几十安培（A）数量级。（4）欧姆定律的适用性不同工业用电的电路是符合欧姆定律，即R=V/I，然而静电释放电路则很难适用欧姆定律，因为静电的泄漏和释放的途径，除物体内部和表面外，还可以向空间释放泄漏，故无法准确计测静电泄漏电流和泄漏电阻。二静电分类和摩擦带电机理 1静电的分类（1）按起电的方式分：1 接触摩擦分离起电两种不同的物体相互接触摩擦分离，各自产生数量相同，极性相反的电荷，此类起电方式大量出

3、现在各行各业和日常生活中。2 静电感应起电当一个中性物体靠近带电体，或带电体移近一个中性物体时，由于带电物体电场作用，这中性物体在靠近带电物体的一端出现带电物体电荷极性相反的电荷，而远离的一端出现与带电物体所带电荷极性相同的电荷。这类起电方式也是大量存在的。3 电磁感应起电现代工业和日常生活中用的动力电、照明电等都是利用电磁感应发电原理起电的。静电技术应用也都是利用电磁感应发电原理的低压电变换成高压电的新技术应用。4 射线电离空气起电空气、绝缘体在放射性同位素、射线的照射下，会使中性分子电离起电。物质三态变化起电水是良导体，而冰是带电的，液态水变成水蒸汽气态、水蒸汽是带电。水蒸汽上升遇冷凝结成

4、水珠、雪或冰雹等，也是带电的。 分子分裂起电 物体的变形、破碎、断裂等都会使其中性分子分裂而带电，甚至突然断裂、破碎的瞬间出现放电火星。 极化起电在电场中，一些不带电的电介质的正负偶极子电荷，在电场力的作用下，会相互向反方向微小的变位，而对多数极化性分子来说，其偶极子会定向排列，因此，出现一端为负电性，另一端成为正电性，通称为介电极化。一些电介质当施加一定压力后，会发生电极化，当施加电场会发生偶极距倾斜，前者为压电效应，后者为压电热效应，通称为压电极化。而一些介质在外电场不存在的情况下，将永久地保存着电极化，会在周围形成电场，这样的物体叫驻极体。驻极体由制取方法不同，又有热驻极体、电驻极体、光

5、驻极体、放射性驻极体和电磁驻极体等等。 场致发射起电 粒子在任意电场中，会变为一个电偶极子，若电场强度很高，粒子中的电子可能被高电场作用从负端引出，称电子场致发射，或者粒子中的正离子可能被从正端引出，称正端子场致发射。籍此种方法能在短时间获得大量电子，利用电子场致发射的脉冲系统作为X-射线的短脉冲，以及高速射影中曝光。（2）按带电体分类 固体带电：塑料、橡胶、胶片、纸张、薄膜、布匹、化纤等在挤出、脱模、烘压、辊压、刮胶、收卷、传送、切割等作业生产过程的带电现象。 液体带电：各种绝缘油品、绝缘试剂、污油水等在装卸、喷出、搅拌、清洗、运输作业过程中的带电现象。 气体带电：压力气体的排放、泄喷的气体

6、、水蒸汽喷出、蒸汽雾云、管道中流动中气体的带电。 粉体带电：塑料粉、医药粉、农药粉、火药粉、粮食粉、巧克力、奶粉等粉碎、筛分，气流输送等作业的带电。5 人体带电 人体生理变化或运动，身体各器官组织也在表现出电性，如人体细脆膜的静止电位约有100mv。6 生物带电自然界许多生物是带电。如蜜蜂脚上带有67V的静电，将花粉吸住。海里还有一种带电的电鱼，这种电鱼能产生几百伏的电位，而它的发电器官只有数微米大小的细胞。听说非洲还有一种电树。（3）按电荷性质分类单极性电荷、双极性电荷、正电荷、负电荷2 摩擦带电机理工业生产和日常生活中，到处存在摩擦带电现象，然而两种物体摩擦如何起电，有必要作一简明、扼要、

7、通俗叙述。（1）带电的三个过程：任何物体摩擦带电都脱离不了这三个过程1 接触电荷转移 两种物体接触，界面间距达到10-8cm（即：埃）数量级时，就会发生两物体间的电荷转移，在界面形成所谓的“双电层”，在液体中有形成“电偶离子层”之说。这“双电层”或“电偶离子层”的厚薄大小是随材料电阻率而异，较小的油液，因电传导大，电偶离子层被缩到距管壁约10-8cm的范围，而对于电阻率大的油液，可以扩散到距离固体面约数毫米的液体内部。2 摩擦起电 两种物体接触，形成“双电层”，或“电偶离子层”后，由于摩擦、机械力等作用，将扩散的一部分电子或离子，从“双电层”或“电偶离子层”中剥离出来，随固体带走，或随液体一起

8、流走，电荷平衡受到破坏，这样，摩擦的双方将各自带上极性相反的电荷。3 分离电荷积累、呈带电状态 分离时，极性相反的电荷会相互吸引、再结合、进行中和，另外，产生的电荷会从物体的表面，体内或空间泄漏、消散。对于一些物质这样中和，泄漏是很快的，而有的物质却很慢，造成电荷过剩，当产生的电荷比泄漏中和的电荷多，就会引起电荷的积累，形成带电。电荷积累持续时间，取决于物体的性质和环境条件，如不同的油液静电消散时间1/1000S至几h。（2）静电带电的本质 物体摩擦带电的本质是少量杂质的作用。严格说，纯净的物质是不会产生静电的，更谈不上带电了。而物质含杂质很多，即使产生静电也会很快中和或消散掉，呈不带电状态。

9、唯独含少量杂质的物质摩擦起电大，也不易中和泄漏，而积累起来，成为带电的物体。国外许多资料报导，物质的电阻率在10101015cm范围容易产生静电，也不易泄漏。溶剂，油品在管道中流动产生静电，必要条件是其内部要有一定的离子，如乙醚有微弱的电离性，易于产生静电。然而象苯、汽油、航空煤油等一些轻质油品都是不电离的，但也能产生很强的静电，就是这些油品内含有少量杂质的缘故，这一点许多行业的静电测量和研究中，已为大家所证实。又如聚乙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚四氟乙烯，聚丙烯，塞璐珞等塑料，其V均在10101015cm范围，易带静电。从这一机理出发，便可想而知，油中混入少量的水，粉体带有少量的可燃性液滴，可

10、燃性气体中混入少量的粉尘等等，都极易产生危险性的带电，如国外有资料说，轻油中含有6%的水，静电发生量将增大20倍。三、材料的划分和带电系列表：1 材料的划分从静电角度说，一般按各物质的所具有的导电性（或电阻率大小），有以下两种方法：（1） 静电导体、静电亚导体和静电非导体静电导体：在任何条件下，体电阻率等于或小于106m（即导电率等于或大于10-6S/m）的物料及表面电阻率等于或小于107的固体表面。静电非导体：在任何条件下，体电阻率等于或大于1010m（即导电率等于或小于10-10S/m）的物料及表面电阻率等于或小于1011的固体表面。静电亚导体：介于二者之间。（2）静电导电型材料、静电耗散

11、型材料、静电屏蔽材料和不易带电型材料 导静电型材料： 表面电阻率小于1105或体积电阻率小于1104cm的材料（YD/T 754-1995） 该材料表面电阻、体积电阻应小于1106（SJ/T 31469-2002） 静电耗散型材料 表面电阻率大于1105和小于或等于11012，或体积电阻率大于1104cm或等于11011cm的材料（YD/T 754-1995） 该材料表面电阻、体积电阻应在110611010之间（SJ/T 31469-2002）屏蔽材料：电阻率很低的导电体，表面电阻率102，一般摩擦不起静电。不易产生静电材料，摩擦起电电压小于或等于2KV的材料。（3）导静电地板、静电耗散地板和

12、不易产生静电地板导静电地板（ECF）：电阻2.51041106；耗散地板（DIF）：电阻11061109；不易产生静电的地板（ASF）：摩擦起电应小于2KV。（4）可带电材料、不可带电材料可带电材料：凡体电阻大于109cm（或1011cm），表面电阻大于1010（或1012）的固体。不可带电材料：凡表面电阻率小于或等于109（或1011），体电阻小于或等于1010（1012）的固体。2 带电系列表二种材料摩擦带电，必然是一种材料带正电，另一种材料带负电，而带电量大小，则取决于二种材料的性质、摩擦力大小、分离速度、表面粗糙度以及周围环境状况而异。下表的带电系列揭示的二个规律：（+）正极性铅镉银丙

13、烯腈混纺品人 手棉 纱铬硫 磺石 棉真 丝纸黑橡胶玻 璃粘胶丝黑硬橡胶铂碳化钙兔 毛毛 发皮 肤麻维尼龙聚乙烯、聚氨酯云 母酪 素铁聚苯乙烯赛路路尼 龙醋酸酯铜腈 纶玻璃纸、聚炳烯、聚氨乙烯羊 毛铝镍沙兰树脂聚四氟乙烯皮 毛人造丝锌黄铜聚脂树脂负极性（-）（1）二种材料摩擦带电，处于表中前面的材料带正电，处于表中后面的材料带负电。（2）二种材料摩擦带电，处于表中相对位置错开越多，带电便越显著。四、ESDS元器件、组件和设备的分级 1级：易遭受0-1999V ESD电压危害的电子产品； 2级：易遭受2000-3999V ESD电压危害的电子产品； 3级：易遭受4000-15999V ESD电压危

14、害的电子产品。对大于16000V ESD 电压危害电子产品，则认为是非静电敏感产品。列于ESDS产品的还包括所有安装ESDS元器件的印刷电路板，高于1GHz频率工作的半导体器件及微型计算机控制装置。五、术语（英文缩写注解） 1）ESD （Electwstatic Discharge）静电放电 2）EMC (Electro-Magnetic Compatibility)电磁兼容 3）ESDS (Electrostatic Discharge sensitive)静电放电敏感（的） 4）ESSD (Electrostatic Sensitive Device)静电敏感器件 5）EPA (Elect

15、rostatic Discharge Potted Acea)防静电工作区 6）EBP (Eacth Bonding Point)接地连接点 7）IC (Interrogated Circuut)集成电路 8）MOS (Metcth Bonding Poing)金属-氧化物-半导体 9）CMOS (ComplEmentary Mos)互补金属-氧化物-半导体 10）HMOS (High Density Mos)高密度金属-氧化物-半导体 11)PMOS (P-channel Mos)P沟道金属-氧化物-半导体 12)NMOS (N-channel Mos)N沟道金属-氧化物-半导体 13)VM

16、OS (Vertical glove Mos)垂直槽金属-氧化物-半导体 14)MIS (Medium Scale Interation)中规模集成电路 15)LSI (large Scale Integration)大规模集成 16)VLSI (Vecy Large SI)超大规模集成 17)VHSI(Vecy Higy Speed Integration)超高速集成六、常用有机化工材料缩写字PE 聚乙烯 HDPE 高密度聚乙烯 LDPE 低密度聚乙烯PP 聚丙烯 PVC 聚氯乙烯 PVAC 聚乙酸乙烯酯PS 聚苯乙烯 PET 季戊四醇（聚酯） PMMA 聚甲荃丙烯酸甲酯ER 环氧树脂 PA

17、6 尼龙 PC 聚碳酸酯PU 聚氨脂 ABS 工程塑料（二）电子工业静电危害一静电危害的一般特点 1库仑力的危害； 2静电放电的危害： 电击；绝缘击穿，产品报废；干扰误动作；爆炸火灾。 3静电感应的危害。二电子行业静电危害 1半导体和IC生产线的静电。 穿着尼龙衣、塑料基底鞋缓慢在清洁地板上走动，人身会带7KV-8KV电压。 玻璃纤维制成的晶体载料盒滑过聚丙烯桌面时，易产生10KV静电。 晶片装配线：晶片5KV，晶片装料盒35KV，工作服10KV，桌面10KV，有机玻璃盖8KV，石英晶体1.5KV，晶片托盘6KV。 光刻间塑料地面500V-1000V，扩散间塑料地面500V-1500V，瓷砖地

18、面也是500V-1500V，塑料墙纸700V，塑料顶棚0-1000V，铝板送风口，回风口500V-1000V，金属活动皮革椅面500V-3000V。2静电危害表现： 静电库仑力的危害：吸上粉尘、污物，带给元器件。增大泄漏或造成短路，使性能受损，成品率大大下降。如粉尘粒径100m，铝线宽度约100m。簿膜厚度在50m以下时，最易使产品报废，这种情形多发生在腐蚀清洗、光刻、点焊和封装等工艺过程中。静电放电引起的危害：如有数千、数万伏的高电位物体发生脉冲刷形放电或火花放电时，瞬间会有很高的放电电流流过，若人体带上10KV（100pF）的电荷，其放电电流流向大地时是形成瞬间脉冲电流峰值为20A，造成可

19、观的影响，静电放电（ESD）还伴随着电磁波发射，会引起种种危害。 （）MOS IC等半导体器件将被静电放电（ESD）击穿或半击穿 MOS场效应管其栅极是硅氧化膜引出，栅极与衬底间是隔着一层氧化膜，当栅极与衬底间的电压超过一定值，氧化膜便被击穿，如果是MOS IC，则全部报废了。当SiO2耐压场强E=（510）*106V/cm，SiO2膜厚1000-2000之间时（取D=1000），其施加电压大于UB=50-100V氧化膜便会被击穿。栅极电容很小（约几个PF），输入阻抗很高（约1014以上），这样，少量的电荷就会产生很高电压，电荷也很难泄漏，只要大于50V（无保护）就会烧毁，所以，只要人手一摸栅

20、极，元件就坏了，因为人带电超过50V是平常事。 （）各类绝缘膜的耐压值见下表绝缘膜绝缘耐压MV/cm介电常数SiO2Si3NTa2O5TrO2TiO2Nb2O51010S841547252222204030100 （）各类元件典型耐静电压数值见下表类型耐放电压值（V）类型耐击穿电压（V）V MOSMOS FETGaAS FETP ROM运算放大器J FETC MOS肖特基二极管双极型晶体管ECL可控硅肖特基TTL30-1800100-200100-300100190-2500140-700250-3000300-3000380-7000500-1500680-11001000-2500无保护电

21、路的MOS电路MOS电容器，场效应三极管FETC MOS带保护电路的MOS（C MOS，P MOS）发射极耦合电路ECL低速双极型逻辑电路TTL肖物基晶体管一晶体管逻辑电路小信号二极管IW以下小信号晶体三极管5W以下10-200-1000250-20001000-4000500300-25001000-40004000-150004000-15000 （）组装中要损坏器件，或造成电子仪器设备故障或误动作A 静电放电损坏元器件使整块印刷电路板失去作用，造成经济损失；B静电放电的噪声引起机器设备的误动作或故障间接放电影响，电容放电测得结果，除产生瞬间脉冲大电流外，还会产生跨越数兆赫兹，甚至数百赫兹

22、的强大噪声。近年来，静电放电噪声引起计算机误动作的基础研究取得很大进展。C放电时产生的电磁波进入接收机后，会产生杂音，干扰信号，从而降低信息质量，或引起信息误码差。3静电感应的危害受静电感应的物体与带电体完全等价，并有静电力学现象和放电现象的发生，如果感应物体的电阻是较小的良导体时，还会发生火花放电造成危害。 生产操作的车间里 高电压设备、线路附近，人员在操作焊接、摆弄MOS器件或MOS IC时，由于静电感应，极易引起人体对器件的静电放电，从而损环器件。 管道输送的空调气流（离子流），对人体吹风时相当于充电，当带电人体接触敏感器件，静电放电会击穿损坏器件。归纳起来，静电引起的现象足以造成电子器

23、件和电子仪器设备性能失调，其对电子器件危害的状况见下表所示。器件或仪器种类危害状况半导体器件施加超过耐压能力的电场导致器件击穿、半击穿、性能劣化。磁带录相机由于静电吸附灰尘，促使磁头磨损，磁带运转不良，由于制造时混入灰尘而漏失信息，产生噪声、颤音。电子计算机静电放电引起的噪声使系统停机、记录错误、漏失信息。计算机外围设备由于静电使卡片难整理、磁鼓不良、机械性能不稳定。测量仪器类零点变动，误信号。4、半导体静电击穿现象（1）静电击穿的部位器件静电击穿主要发生在结区域或氧化膜中，其次有时也发生焊（布）线膜部分的熔断现象。查找故障发生的位置，可以从以下全过程去进行： 观察易于受到静电脉冲电流作用的地

24、方，如输入或输出回路，阻抗较高的地方； 从器件结构上较弱的部位去查找，如热容量较小之处，场效应管的栅极氧化膜等耐压性能较差的地方； 从电场较为集中的边缘部分去查找。对于二板管、三板管等分流器件，发生故障的模式比较简单，但是，对于集成度较高的IC、MSI、LSI、VSI之类，发生故障部位查找判断就不是那么容易。通常是通过实验，再现故障现象，将其与实际故障的模式进行分析对比，从而判断出静电的冲击来自何处。（2）半导体器件静电击穿机理 一般可以考虑为热击穿的多。 结区击穿表面漏电痕迹距离 离子 灰尘 绝缘击穿 放电吸湿 内体 正向杂质 缺陷 非均匀性热散逸 反向针孔 热击穿 焊（布）线膜击穿（布）焊

25、线膜热熔断 （布）焊线 氧化膜击穿结合击穿非均匀性绝缘击穿 本征击穿 说明： 结区的击穿SI器件通电时，温度随之升高，SI的电阻也随之增高，当温度超过一定，SI的电阻反而下降，从而又导致输入电流增大和温度上升，进而降低电阻，形成所谓的热散逸现象。这是热击穿中的最基本形态。可以认为在静电作用下产生的正向击穿就属这一机理 。至于反向偏压加于结区上，由于极薄的PN结合面几乎要承受全部电压，结区的热耗变大，而在结区非匀质之处，即由热散逸，温度急剧上升，而形成所谓热点，导致击穿。 膜（铝）布线击穿其原因可能是静电放电，或放电电流，或是受结区温度的影响，总之，都是热的因素击穿。如热的作用下，铝线熔断而形成

26、开路，或者由于熔融的铝而产生跨接短路。 氧化膜的击穿 a 单孔型击穿：形成几m几百m的圆孔，这时的电场是在0.5MVcm以上，静电能量与电容存的能量差不多b 传播型击穿：在高静电压，串联10K以下的电阻时产生象虫子咬过一样的击穿模式，这种形式似乎的单孔型击穿作为触发源，通过介质使孔中气体击穿形成。C 自动恢复型击穿，当SIO2膜很薄时（几千几万）击穿后。由于该部分的蒸发、消失，具有自动恢复性能。（3）在判断器件故障的模式时，应注意以下问题 考虑通常使用情况下，与正品相比，废品发生了哪些异常，为此可以测量两者输出波形和绝缘阻抗的变化，从而确定异常的状态。 对难易再现故障状态，若用电容的放电实验进

27、行检验，则可以改变电容大小，观察击穿电压与电容的关系，若利用短时脉冲放电方法检验，观察击穿电压与脉冲宽度之间的关系，然后将以上电容或脉冲宽的变化所形成的不同故障方式。与废品故障模式进行对比，从而推测出引起器件损伤的静电能量值。5、静电击穿的模拟方法大致有三种带电模式进行模拟性再现实验。（）人体带电模式（HMB） 主要用于检测积累有静电的人体，接触到器件时，电荷通过器件放电引起的击穿现象。（1）基本电路图（2.1）人体模型法的基本电路（2）静电放电实验方法标准标 准条 件CR2V试验次数IEC47（CO）955100PF1.5K2000V500V5次MIL-STD883B方法3015.1100P

28、F1.5K202000V2000V以上5次DOD-STD883B100PF1.5K05000VBS 9400100PF10 K500VMIL-M-38510/55C100PF1.5 K1000V4次EIAJ IC-121-1981ABC200PF100PF200PF10 K10 K0 500V150V1次或5次日本200PF0200V（3）说明： 一般人体电阻100-10k，人体对地电容50-500PF，与标准中的C、R2基本相合 典型的人体模式放电脉冲上升时间小于10ns。衰减延续时间为50-300ns。 对二极管三极管等引线较少的及芯片面积较小器件，此法可以充分再现装卸操作时的放电现象，但

29、对于LSI这一类高集成化、引线繁多，芯片的大型化，此法做出来的数据与实际击穿的现象差异多，甚至无法相对应。 人体模型法应该还存在一些问题。如电容C和电阻R2值不同,击穿的模式也不同。结区的热击穿，铝的熔断（过电波引起）等过电流击穿和过电压引起的氧化膜击穿，以及由于载流子的积累，而引起“软特性击穿。一般C大，R2小时，即使低电压下就不会发生过电流击穿，所以，过电流击穿，并不能反映绝缘的击穿强度。C小，R2大，由于低电压下不会发生过电流击穿，故可反映绝缘的击穿强度。5 人体模型法又可以分为实际带电模型和感应带电模型。 对于象电视接收等内部易于发生静电放电的器件，在电路设计，实际组装全部完成后，还应当在其重要部位有意识的进行放电实验。采用厂家和用户都能简单办到的前面的基本电路进行试验,了解半导体器件的劣化情况，有时会发现意想不到的电流通过，导致元件的劣化，这对于可靠性要求更高的设备，并非是多余的事。有时为了测量半导体元器件的绝对耐静电能力，而不附加电阻R2，但这样做，若开关的接触电阻,或元器件的串联电阻有