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而避免或减少这种损失的最好办法就是采取静电防护措施,使元器件避免静电放电的危害。
图2.4是一个器件受到ESD潜在损伤的例子,器件的功能没有失效,只是某个管脚的I-V特性发生了一些变化。
图2.5是对一种型号的两组CMOSIC进行过可靠性对比试验。
一组是经历过低于其失效阈值较多电压的ESD试验而功能完全正常的样品,另一组是未经过任何试验的良品。
寿命试验的结果是前者的中位寿命(累积失效率为50%的寿命低于后者2个量级以上。
这充分说明了ESD潜在损伤对器件可靠性的影响。
图2.4ESD潜在损伤引起的I-V特性变化
图2.5对比试验的寿命分布曲线
2.1.3国内外企业的状况
国际上在1979年成立了EOS/ESD研究协会,主要研究电子行业的EOS和ESD问题,寻求解决方法。
美军标883E“微电路试验方法”中关于ESD等级评价的标准已先后7次修订,现在已是3015.7版,而且很多标准明确规定军用微电路必须达到2kV的ESD等级。
美国多数主要的电子制造商在八十年代初已经建立了他们的ESD组织机构,专门负责ESD方面的工作,主要有防静电设计、静电检测、静电防护以及管理、培训等。
与国际上发达国家相比,我国在这方面的工作起步要晚很多,差距也较大。
直到最近
几年才真正重视和发展起来。
在军品方面,如修改版的国军标GJB548A-96和国军标128A-97分别增加了对微电路和分立器件的静电放电敏感度分类要求;
并要求贯彻国标的产品必须给出ESDS的值;
在民品方面,合资和独资企业的状况较好,起步较早,大多参照国外企业的做法,在抗ESD设计和静电防护方面都达到了较高的水平,如上海的贝岭、南京的富士通、广东北电等;
而其它民品企业也已经意识到静电问题重要性,并在产品的抗静电设计和生产线的静电防护方面投入人员和资金,取得了很好的效果。
虽然国内企业正在逐步改进,但仍然存在不小的差距。
举例来说,如军品CMOS电路还未提出2kV的要求;
有些生产线豪华装修,但无防静电措施;
从业人员缺乏关于ESD的上岗培训等。
2.2静电对电子产品的损害
静电对电子产品的损害有多种形式,并具有自身的特点。
2.2.1静电损害的形式
静电的基本物理特性为:
吸引或排斥,与大地有电位差,会产生放电电流。
这三种特性能对电子元器件的三种影响:
(a静电吸附灰尘,降低元器件绝缘电阻(缩短寿命。
(b静电放电(ESD破坏,造成电子。
(c静电放电产生的电磁场幅度很大(达几百伏/米频谱极宽(从几十兆到几千兆,
对电子产器造成干扰甚至损坏(电磁干扰
这三种形式对元器件造成的损伤,既可能是永久性的(如功能丧失,不能恢复,也可能是暂时性的(如静电放电产生的干扰使功能暂时丧失;
既可能是突发失效,也可能是潜在失效。
其中静电放电(ESD事件是造成元器件损伤最常见和最主要的原因。
2.2.2静电损害的特点
相对与其它应力,静电对电子产品损害存在以下一些特点:
(1隐蔽性
人体不能直接感知静电除非发生静电放电,但是发生静电放电人体也不一定能有电击的感觉,这是因为人体感知的静电放电电压为2-3KV,所以静电具有隐蔽性。
(2潜在性和累积性
有些电子元器件受到静电损伤后的性能没有明显的下降,但多次累加放电会给器件造成内伤而形成隐患。
因此静电对器件的损伤具有潜在性。
(3随机性
电子元件甚么情况下会遭受静电破坏呢?
可以这么说,从一个元件产生以后,一直到它损坏以前,所有的过程都受到静电的威胁,而这些静电的产生也具有随机动性性。
其损坏也具有随机动性性。
(4复杂性
静电放电损伤的失效分析工作,因电子产品的精、细、微小的结构特点而费时、费事、
费钱,要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器。
即使如此,有些静电损伤现象也难以与其他原因造成的损伤加以区别,使人误把静电损伤失效当作其他失效。
这在对静电放电损害未充分认识之前,常常归因于早期失效或情况不明的失效,从而不自觉地掩盖了失效的真正原因。
所以静电对电子器件损伤的分析具有复杂性。
2.2.3可能产生静电损害的制造过程
元器件从生产到使用的整体过程中都可能遭受静电损伤,依各阶段的可分为:
(1元器件制造过程在这个过程,包含制造,切割、接线、检验到交货。
(2印刷电路版生产过程收货、验收、储存、插入、焊接、品管、包装到出货。
(3设备制造过程电路板验收、储存、装配、品管、出货。
(4设备使用过程收货、安装、试验、使用及保养。
(5设备维修过程
在这整个过程中,每一个阶段中的每一个小步骤,元件都可能遭受静电的影响,而实际上,最主要而又容易疏忽的一点却是在元器件的传送与运输的过程。
在这整个过程中,不但包装因移动容易产生静电外,而且整个包装容易暴露在外界电场(如经过高压设备附近,工人移动频繁、车辆迅速移动等而受到破坏,所以传送与运输过程需要特别注意以减少损失,避免无谓之纠纷。
所以,从元器件的制造,使用到维修的任一环节都有可能发生静电损害。
2.3静电防护的目的和总的原则
2.3.1目的和原则
静电防护的根本目的是在电子元器件、组件、设备的制造和使用过程中,通过各种防护手段,防止因静电的力学和放电效应而产生或可能产生的危害,或将这些危害限制在最小程度,以确保元器件、组件和设备的设计性能及使用性能不致因静电作用受到损害。
前面我们已经提到,电子工业中静电危害的主要形式是静电放电引起的元器件的突变失效和潜在失效,并进而造成整机性能的下降或失效。
所以,静电防护和控制的主要目的应是控制静电放电,亦即防止静电放电的发生或将静电放电的能量降至所有敏感器件的损伤阈值之下。
从原则上说静电防护应从控制静电的产生和控制静电的消散两方面进行,控制静电产生主要是控制工艺过程和工艺过程中材料的选择;
控制静电的消散则主要是快速而安全地将静电泄放和中和;
两者共同作用的结果就有可能使静电电平不超过安全限度,达到静电防护的目的。
2.3.2基本思路和技术途径
静电放电会对器件造成损害,但通过采取正确和适当的静电防护和控制措施,建立静电
防护系统,那么就可以消除或控制静电放电的发生,使其对元器件的损害降至最小。
对静电敏感器件进行静电防护和控制的基本思想有两条:
(1对可能产生接地的地方要防止静电的聚集,及采取一定的措施,避免或减少静电放电的产生,或采取“边产生边泄漏”的方法达到消除电荷积聚的目的,将静电荷控制在不致引起产生危害的程度。
(2对已存在的电荷积聚,迅速可靠地消除掉。
所以生产过程中静电防护的核心是“静电消除”。
为此可建立一个静电完全工作区,即通过使用各种防静电制品和器材,采用各种防静电措施,使区域内的可能产生的静电电压保持在对最敏感器件安全的阈值下。
其基本途径有:
(1工艺控制法
旨在使生产过程中尽量少产生静电荷.为此应从工艺流程、材料选择、设备安装和操作管理等方面采取措施,控制静电的产生和积聚,抑制静电电位和静电放电的能力,使之不超过危害的程度。
如在半导体制造过程中,当高速器件的浅结形成工序完成后,对冲洗用的去离子水的电阻率就必须控制。
虽然电阻率越高,洁净效果越好,但电阻率越高。
绝缘性越越好,在芯片上产生的静电就越高。
因此一般要控制在略高于8MΩ的水平,而不能是初始工序用的16-17MΩ。
还有在材料选择上,包装材料要采用防静电材料,尽量避免未经处理的高分子材料。
(2泄漏法
旨在使静电通过泄漏达到消除的目的。
通常采用静电接地是电荷向大地泄漏;
也有采用增大物体电导的方法使接地沿物体表面或通过内部泄漏,如添加静电剂或增湿。
最常见的是工作人员带的防静电腕带,静电接地柱。
(3静电屏蔽法
根据静电屏蔽的原理,可分为内场屏蔽和外场屏蔽两种。
具体措施是用接地的屏蔽罩把带电体与其它物体隔离开来,这样带电体的电场将不会影响周围其它物体(内场屏蔽;
有时也用屏蔽罩八被隔离的物体包围起来,使其免受外界电场的影响(外场屏蔽。
如GaAs器件包装多采用金属盒或金属膜。
(4复合中和法
旨在使静电荷通过复合中和的办法,达到消除的目的。
通常利用接地消除器产生带有异号电荷的离子与带电体上的电荷复合,达到中和的目的。
一般来说当带电体是绝缘体时,由于电荷在绝缘体上不能流动,所以不能采用接地的办法泄漏电荷,这时就必须采用静电消除器产生异号离子去中和。
如对生产线传送带上产生的静电荷就采用这种方法进行消除。
(5整净措施
旨在避免尖端放电的现象。
为此,应该尽可能使带电体及周围物体的表面保持光滑和洁净,以便减少尖端放电的可能性。
2.4静电防护材料
静电防护材料或防静电材料在静电防护和控制工程中占有重要的地位,由防静电材料制成的静电防护用品如容器、服装、传送带等是制造过程中必不可少的。
2.4.1与静电防护材料有关的基本概念
这里先介绍一些在静电防护和控制技术中用到的与材料有关的基本概念。
电阻和电阻率:
这是静电控制技术中最关键的两个概念,它们经常混淆,不仅被用来表示材料,还用于描述评估材料的测试方法。
体电阻率:
指某材料单位厚度上的直流压降与单位面积上通过的电流之比。
体电阻系数是材料的基本参数之一,表示其导电性能,单位为欧姆/厘米。
表面电阻率:
该参数用于厚度一定的薄膜材料,其定义为表面上单位长度的直流压降与单位宽度流过电流之比。
它指正方形两对边之间的阻值,只要面积远远大于薄膜厚度,则该阻值与正方形的大小无关。
表面电阻率的单位是欧姆。
电阻:
从另一方面表示不同形状(面积和长度和电阻率的材料对电流的阻碍作用,它同时表明材料的表面或表面与地之间的电路连通性以及物体的放电能力,单位是欧姆。
表面电阻:
根据EOS/ESDS11.11“静电释放平面材料的表面电阻测量”中的定义,表面电阻是指材料某个面上两点间的直流电压与通过的电流之比,以欧姆表示。
表面电阻值与材料的结构无关。
体电阻:
根据ESDDS11.12“静电释放平面材料的体电阻测量”中的定义,体电阻是指材料两端之间的直流电压与通过电流的比值,它的单位也是欧姆。
绝缘材料:
一般指表面电阻系数在1×
1012欧姆或体电阻系数在1×
1011欧姆/厘米以上的材料。
绝缘材料的表面或内部基本上没有电流流动,它的电阻很大,难于接地。
这种材料内的静电荷会在上面保留很长时间。
导电材料:
一般指表面电阻系数小于1×
105欧姆或体电阻系数小于1×
104欧姆/厘米的材料。
这种材料电阻小,电子在其表面及内部流动非常容易,可流向任何接触到的其它导体或大地。
耗散材料:
一般指表面电阻系数大于或等于1×
105而小于1×
1012欧姆,或体电阻系数大于或等于1×
104而小于1×
1011欧姆/厘米的材料。
屏蔽材料:
一般指导电层每毫米厚度的表面电阻系数小于1×
104欧姆,或体电阻系数小于1.0×
103欧姆/厘米的材料,采用这种材料制作的法拉第保护罩可防止静电敏感器件受到静电的影响。
抗静电性:
通常指材料抑制磨擦起电的特性。
材料的抗静电性与其电阻或电阻率没有必然的联系。
如有些抗静电材料,电阻很高,属高绝缘型,但起电力很小,多次摩擦都不会产生静电积累。
理解并正确使用静电控制中的这些基本概念,可以使用语更加准确,这样有助于有效地实施ESD控制。
2.4.2静电防护材料的主要参数
(1表征起电能力的参数:
表面静电位U,带电量Q或电荷面密度σ。
(2表征衰减能力的参数:
表面电阻RS,泄漏电阻R(对制品;
表面电阻率ρS、体电阻率、ρV(对材料;
时间常数τ或静电半衰期t1/2:
对介质τ=ερ,对导体τ=RC(1/e;
t1/2=0.69τ
2.4.3静电防护材料的分类
如在基本概念中的阐述,根据防静电材料的导电性能,可将其分为静电绝缘、耗散、导电和屏蔽四种,如以表面电阻率(单位Ω/划分如下:
1041051012
注:
具体的分界数值不同标准或不同企业有所不同,而且有些分类更细。
还有的标准以体电荷密度作为划分的参数
根据防静电材料的来源分,可以分为天然材料和人造材料两大类。
天然材料如金属,棉织物等;
而在静电防护工程中,大量使用的是人工制造或经过人为改造的材料。
人造材料主要有两种制造方法:
一是在原来的材料中添加带电性材料或物质,如碳黑、石墨、碳纤维的炭类,或金属粉、金属纤维等金属类,或抗静电剂等化合物类。
添加的材料或制品具有永久性;
另一种方式是表面涂敷,如在工具的把手等表面涂敷表面活性剂,利用分子的极化和亲水基使表面形成单分子导电层,达到静电防护的目的,这种方法具有时效性,会磨损和消失。
现在也有耐久的高分子表面活性剂。
2.5静电防护器材
静电防护器材主要分为两大类:
防静电制品和静电消除器。
防静电制品是由防静电材料制成的物品,主要作用是防止或减少静电的产生和将产生的静电谢放掉。
而静电消除器用来中和那些在绝材料上积累的、无法用泄放方法消除的静电电荷。
2.5.1防静电材料的制品
防静电材料制品的种类相当繁多,但主要可以归为以下几类:
2.5.1.1防静电服装和腕带
防静电服装和腕带是消除人体防静电系统的重要组成部分,可以使消除或控制人体静电的产生,从而减少制造过程中最主要的静电来源。
防静电服装包括防静电的套装、大褂、鞋、帽、防静电手套、防静电指套、防静电脚束等。
防静电服装是用不同色的防静电布制成。
布料纱线含一定比例的导电纱,导电纱又是由一定比例的不锈钢纤维或其它导电纤维与普通纤维混纺而成。
通过导电纤维的电晕放电和泄漏作用消除服装上的静电。
由于不锈钢纤维属金属类纤维,所以,由它织成的防静电布料
的导电性能稳定,不随服装的洗涤次数而变化。
防静电腕带是操作人员在接触电子元器件时最重要的静电防护用品,通过接地通路,可以将人体所带的静电荷安全地谢放掉。
它由防静电松紧带、活动按扣、弹簧软线.保护电阻及插头或夹头组成。
松紧带的内层用防静电纱线编织,外层用普通纱线编织。
图2.6是防静电服装、防静电腕带和脚腕带。
(a防静电服装(b手腕带(c脚腕带
图2.6防静电服装、防静电腕带和脚腕带
2.5.1.2防静电包装和运输制品等。
防静电包装制品非常多,如防静电屏蔽袋、防静电包装袋、防静电海绵、防静电IC包装管、防静电元件盒(箱、防静电气泡膜和防静电运输车等。
这些包装制品除静电屏蔽用静电导体外,多数是用静电耗散材料制成的,也有些是用抗静电材料制作。
目的都是对装入的电路或器件及印刷电路起静电保护作用。
图2.7是一些常用的静电包装制品。
(a防静电包装贷(b防静电IC包装管
(c防静电海面(d防静电储存盒
图2.7一些常用的静电包装制品
2.5.1.3防静电地板和台垫
防静电地坪和台垫也是静电防护工程中不可或缺的。
防静电地坪的也有多种,按时效性
分,有永久性的和临时性的;
按材料分有导电橡胶、PVC、导电陶瓷等;
按铺设方式分,有地面直接铺设的和架空的活动地板。
可根据实际需要和成本决定。
如需要在地面走多种电缆、管道的环境如计算机防选择架空铺设的活动地板比较好。
图2.8是一些防静电地板。
防静电台垫主要是防静电复合胶板,主要用于捕垫桌面、流水线工作台面、货架及制做地垫等。
材料面层分为草绿色,导电物质是抗静电剂;
底层为黑色,导电物质是碳黑。
(a防静电复合地板(b防静电PVC地板块(c防静电机房高架地板
图2.8防静电地板
除上述三大类制品外,还有其他一些防静电制品,如防静电电烙铁、防静电座椅、椅套、防静电维修包等。
其中防静电烙铁在后工序和维修中很常用。
一般的电烙铁在焊静电敏感元器件时需要拔掉电源,而防静电烙铁采用直流温压电源,发热元件多选用具有恒温特性、静电电电容小的材料,可极大地降低各种干扰杂信号。
另外,烙铁还可作静电接地,可进一步消除烙铁头上的各种信号。
所以,焊接时无需拔掉电源头。
2.5.2静电消除器(消电器、电中和器或离子平衡器
静电消除器是防静电材料制品外的又一大类防静电器材,其主要原理是利用高压电场或放射性射线的作用使空气局部电离,造成大量离子和电子对,其中与带电体极性相反的离子(或电子向带电体趋近并与之发生中和作用,达到消除静电的目的。
主要参数有:
有效消电电流IC;
(>
1.0×
10-7A/cm;
--单位长度的消电杆在单位时间内所产生的能进行中和作用的电荷量;
离子流引出效率h(离子风;
--单位时间内离子引出总数与单位时间内放电针产生离子总数之比;
静电中和能力N(离子风;
250V/s--单位时间能消除静电的电压值。
静电消电器的主要类型有:
感应式消电器:
构成:
接地针电极;
原理:
局部高压;
形式:
单针、多针、电刷、电线;
材料:
导电纤
维布、锯齿状导电薄膜或橡胶、刷状炭纤维或金属纤维;
特点:
简单、无源、消电能力小,适用电荷密度大的物体,作用距离短,10~20mm。
。
高压消电器:
高压源+放电针(多根或放电杆;
分类:
直流和工频;
直流消电器的特点:
消电力强、作用范围大(150mm~600mm;
但短路电流大,易发生火花放电。
工频消电器的特点:
市电驱动、方便、耗电低,作用距离25mm~35mm,应用范围最广;
但需经常维护如清积灰、更换钝化的针。
放射性同位素消电器:
同位素放射源+屏蔽框+保护网;
不需电源、结构安装简单、易维护、不发热和打火,但消电力差,作用距离20~30mm.
离子风消电器:
直流高压电源(或放射源+电晕放电器+送风系统;
应用最多,工作距离长作用范围广(可达1m,电器的耗电小;
但结构复杂,需配气系统;
环境(洁净、干燥70%、和维护(日常、定期和临时要求高。
如图2.9是一些离子消电气。
图2.9一些离子消电器
2.6静电防护的具体措施
2.6.1建立静电安全工作区
在具体的制造过程中,建立静电安全工作区,采用各种控制方法,将区域内可能产生的静电电压保持在对最敏感的元器件都是安全的阈值下。
一般来说,构成一个完整的静电安全工作区,至少应包括有效的导电桌垫、专用接地线、防静电腕带、地垫以对导体(如金属件、导电的带子、导电容器和人体等上的静电进行泄放。
同上,配以静电消除器,用于中和无法绝缘体上积累的电荷,这些电荷在绝缘体上不能流动,无法用泄漏接地的方法释放掉。
图2.10是一典型的安全工作区示意图。
图2.10典型的安全工作区示意图
在静电安全工作区中有一个十分重要的参数是静电安全泻放电阻。
虽然单从区域内静电泻放的速度方面考虑,泻放电阻越小越好,但受到两个方面的限制。
最主要的是要给工作去内的操作人员提供防电击条件,根据人体电击时有能力脱离险境的极限电流(10-16mA的要求,取安全电压为5mA进行计算,
由R=U/A
设U=220-380V,得R=4.4×
104-7.6×
104Ω。
则R值应取大于1.0×
105Ω。
而另一方面的限制是如果电阻很小,泻放速度很快,对已带有静电的器件来说,则会发生泻放电流过大导致器件损伤,反而不安全。
那么安全电阻的上限是怎么确定的呢?
是由一秒钟内将5000V静电电压衰减到100V安全电压的最大容许接地电阻值决定的。
根据式:
U=U0e-t/RC,
取U0=5000V,U=100V,t=1S,C=200pf,可得R=1.28×
109Ω。
因此,安全区内的安全泻放电阻一般要保证小于109Ω,即无论是桌垫、地垫还是接地腕带,只要其系统电阻值小于109Ω,即可保证在1S内放电至安全电压值,这就大大减少了敏感器件在静电作用下损坏的机会。
根据实际情况的不同,可建立表2.2所列的不同等级的静电安全区。
表2.3是静电安全区的典型数据。
表2.2静电安全区等级
表2.3静电安全区的典型数据
静电安工作区的建立主要包括:
(1设置防静电接地系统;
接地电阻<
10Ω(GJB12058-90:
<
=100Ω;
多设置接地端;
一般要与电器地分置等。
(2铺设防静电地板和台垫;
地板的结构、材料、施工与验收、日常维护、定期监测。
结构:
1、架空活动式:
适于非移动负载(设备,人流少,通信线缆多的场合,不适于频繁物流场合;
2、地毯式:
仅在人流通道上铺设(占厂房面积的15%~35%,不适于物流荷重传送;
3、地板块铺设(永久型:
一次性全面铺设,方便工艺调整,可适于物流荷重传送。
台垫:
双层复合橡胶制品,上层105~108Ω,下层102~103Ω.与地的接地电阻要在安全范围;
最好不用金属台垫,一是人身安全,二是避免充电器件放电现象。
(3安装静电消除器;
如入口处、操作区、传送带等。
(4工作人员尤其是操作人员的静电防护:
着防静电带防静电腕带、服装等
(5正确的操作方法
拿器件时拿外壳而不触摸管脚引线、电路板安装时最后插入敏感器件、不带电插拔器件和电路板、经常触摸静电接地柱、不做摩擦类动作等;
并且防止人和人之间直接传递。
(6使用防静电器具:
如防静电容器、工具等;
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