ESD教材

电子行业ESD 防治技术讲授提纲
第一部分：电子行业ESD 防治技术国内外研究动态与进展 第二部分：电子行业静电控制技术简介 第三部分：无尘服与防静电服国内外发展趋势
第一部分：电子行业ESD 防治技术国内外研究动态与进展
1. 现代静电学简介
基本方程与基本理论：ερ/2-=Φ∇
02
22222εερ
r z
y x -=∂Φ∂+∂Φ∂+∂Φ∂ 静电应用技术: 静电除尘技术
静电喷涂技术
静电复印与电摄影技术 静电分选技术 静电生物效应 静电起电机
静电安全技术：船舶静电安全技术
石油静电安全技术 电子行业安全技术 雷电与防雷技术 抗静电材料与制品 消静电设备
静电测试技术 静电生物效应
2. 人类对静电起电的认识历程
3. 电子行业ESD 防治技术国内外研究动态与进展
3.1 电子行业防治ESD 的必要性与迫切性
3.1.1 MOS器件（金属氧化物半导体器件）成品率低是静电损伤的影响；通过使用、试验和失效分析，确认其他一些元件对ESD的敏感性也变得时分明显；由于工艺越来越复杂，集成度越来越高，因此有源元件之间电介质更薄，对ESD更敏感；由于当代微细结构和设计特点，使元件在低于20V的ESD电压下就被破坏或损伤。

3.1.2 现在已确定，对一般由生产、测试、工作和维护人员产生的静电电压电平敏感的各种电子和电气元件包括微电子和半导体器件、薄厚膜电阻、芯片、混合电路和压电晶体。

另外，由这些元件组成的子组件、组件和设备（仪器）若没有采用适当的保护电路，也对ESD敏感（ESDS）。

会产生静电压的主要材料包括通常采用的塑料材料如聚乙烯、乙烯树脂、泡沫材料、聚胺脂、合成纤维纺织品、玻璃纤维、玻璃、橡皮和其他许多通用材料。

使这些材料和其他材料产生静电压的原因是材料间的滑动、摩摖、分离。

这些相对运动会产生1500V的静电压。

3.1.3 在设备使用寿命期——制造、组装、检查、处置、包装、运输、保管、储存、测试、安装和维修过程中，敏感元件会不断受到损坏、因此不实行ESD控制已经引起昂贵的修理成本，设备（仪器）过长时间的停机，使用效率低。

3.1.4 人们未认识到ESD对电子、电气产品的影响，因为它们被以下原因掩盖：（1）经常把ESD失效分析为瞬态过程电应力而不是静电应力引起的；（2）由于失效分析不深入，经常把ESD引起的失效错误的归为随机的、未知的初失效、制造的缺陷或其他方面；（3）只有很少的实验室配备有分析ESD失效所需要的扫描电镜或其他仪器和技术；（4）有些设备和项目认为大量运行失效是正常的，因此他们不是去认识和解决ESD问题，只是简单的采取采购大量备件的方法；（5）人们认为只是MOS元件生产线和军事上使用的需要静电控制；（6）许多人认为由二极管、电阻网络或其他保护技术所“保护”的ESDS元件是非ESDS 元件；（7）静电放电失效并不总是暴露在静电场后立即发生的，而有时可能只产生潜在缺陷。

3.2 防治ESD的基本技术文件
（DOD—HDBK—263 保护电气和电子元件、组件和设备（不包括电引爆器件）的静电放电控制手册）
主要内容：定义，ESDS分类，失效类型，ESD防护区（EPA）：防护材料，防护设备，接地；操作程序，保护网络，人员培训等
GJB3007—97 防静电工作区（EPA）技术要求
规定了：工作台，地板，地垫，碗带，鞋束，存放架，小车，周转容器，电烙铁，工作椅，工作服、鞋、袜、手套、指套，门，墙壁，天花板等的技术要求
ESD技术标准的检讨与修订
——ULSIC进一步微细化与ESD防治性能下降的矛盾
日本的研究结果：
0.1~0.2μm技术生产出1G的DRAM，在芯片上集成10亿个元器件。

各种专门IC、超高速IC
我国的研究结果：“HBM模型中IC器件氧化层击穿机理探讨”结论1：
4.1 对于较薄的氧化层厚度, 方程(7)中俘获空穴密度临界值随厚度非常敏感地变化. 当厚度由100Å减少至30Å时, 俘获空穴密度临界值由0.1C/cm2减少至0.002C/cm2, 从而使抵抗ESD的性能急剧恶化. 必须从战略上寻求更好的技术对策.
4.2 随着IC器件的微型化的不断进步, 氧化层的有效面积、有效宽度也对ESD有敏感反映. 可能是密度缺损效应使氧化层过早地击穿.
结论2：
“电子器件氧化层ESD介质击穿物理模型研究”门电路氧化层ESD敏感度的尺寸效应：我们以表2所列的厚度为400Å、面积为9.11×10 –6cm 2的门电路氧化层为例，讨论一下ESD敏感度的尺寸效应。

表2显示这种氧化层的击穿电压约为208v。

如果我们缩小该种材质的氧化层尺寸，即将原来的厚度缩致40Å而有效面积保持不变，则击穿电压约为160v。

如果面积也同时成比例地缩小，则击穿电压经计算变为20伏左右。

可见，集成电路集成度的提高，伴随而来的必是耐ESD性能的降低。

因此，如何使集成技术与ESD控制技术同步发展，是电子工业顺利发展的关键之一。

——模型间的差异：HBM，MM，CDM，FICDM，CPM(charged package model)，CBM(charged boad model)，CCM(charged chip model)
以HBM为例，各标准间在以下方面存在差异：
1．放电通路的等效阻抗Z的值不能归结到同一个条件；
2．等效电容各不相同；这涉及开关、IC插座、配线材料电容、布线长度、盘绕方式等。

高
压试验时电容器及电阻表面是否发生沿面放电，研究不够。

3．外加脉冲数、脉冲间隔、试验引线的组合方式、外加电压等也有差别；
4．某个IC耐压若干伏，是指在该放电电容或放电时间常数下的情况。

若这些参数改变，其绝缘击穿强度也会改变。

退一步说，即便电容、时间常数相同，由于被试IC的连接方式不同，其击穿电压也可能相差5～10倍。

5．考虑器件耐静电能力时，还有一难点：故障判断基准选在何处？电压？电流？功率（能量）？
3.4 人体静电的再认识
——人体静电的测量方法
——环境对人体静电的影响
离子风机、喷嘴等静电消除器的新进展与新产品
——离子平衡式（ion balance）
工作对象上的残余电压（offset voltage）越低越好
——自我守恒的离子发生器
Aerostat XC 台式
Aerostat PC 个人用残压：0±5V
Guardian 悬挂式
Sentry 范围较大，3～5英尺
Phoenix 10英尺，残压0±30V
——自我调节的离子发生器：自我检测/反馈/自动调节
——无粒子的离子发生器
超高洁净度的静电棒；使用专利气流技术，利用干净的处理空气或干氮气去除污物在针上的聚集，产生无粒子的离子风，大大减少了维修次数。

——可遥控低电压离子发生模块（室内电离系统）（LV room ionization system）
3.5 面电阻率与防静电材料的分类
GJB3007－97分3类: 面电阻率105及以下为导静电材料
10 5—1012为静电散逸材料
1012以上为绝缘材料
美国263和航天部标准分类：105及以下为导（静）电材料
10 5—109为静电散逸材料
109－1012为抗静电材料
1012以上为绝缘材料
美国标准定义：ρS用于衡量材料方块电阻的大小。

通常用来衡量比较绝缘的基片上等导电材料阿电阻率，但也可以由于体导电材料。

量纲为:Ω/□. ρS是一个表面为正方形的薄片体电阻的测量值R等价：ρS =R（样品表面为正方形）
从上式可知：ρS为104Ω.cm时究竟是否为导电材料：当厚度t最小为0.1cm时，其属于导电材料（ρS＝ρV / t=105Ω/□,为导电材料；但厚度小于0.1cm时，就属于静电散逸材料。

3.6 电阻与泄漏电阻
3.7 我国ESD防治技术现状简析
——对ESD的危害缺乏足够的认识
——ESD防治技术标准制订和颁布滞后，且不系统，不全面
——新材料、新产品研究开发投入少，技术落后
——各种防静电材料与制品“鱼龙混杂”，性能与质量良莠不齐——产、学、研力量分散，研究与开发形不成合力
3.8．几点建议
——协力攻关，努力开发防治ESD新材料、新产品，创出国内防静电名牌产品
——电子产品制造业要全面、系统、综合的防治ESD
•要针对本企业电子产品静电敏感等级，从整个制造工艺着手，尽可能从环境、设备、人体三方面全面考虑ESD防治
•强化工作人员ESD防治意识，提高自觉防范能力，规范工艺流程，建立健全各项规章及考核制度，并严格执行。

•严格把好防静电材料与制品的质量关，在必要岗位上尽可能配备检测设备。

若无条件量化检测的，可委托专业机构评估，以鉴别防静电材料的优劣，坚决杜绝伪劣产品，使各项ESD防治措施落到实处。

——全面系统地抓紧制定与颁布技术标准
——加强技术管理与职工培训
第二部分：电子行业静电控制技术简介
1.电子元器件ESDS分类
2.电子行业主要静电源
3．静电防护区
设计原则: 禁止使用主要静电源；制止该区的人员带入这些主要静电源
4．IC及电子元件生产过程中的静电控制技术
5．人体静电及其控制技术
6．静电噪声防止技术
7．电子计算机的静电危害及其防治
8．家用电器的静电问题
第三部分无尘服与防静电服1．防静电工作服
一．技术标准
1.1GB12014——89
1.2MIL—HDBK—263
1.3MIL—STD—1686A(1988)，B(1992)，C(1995)
1.4GJB3007—97 （表面点对点电阻1.0×105 ~ 1.0×1010 , 点对地电阻1.0×105 ~ 1.0
×1010）
1.5电子部SJ/T10694—1996 （摩擦电压<100V）
最新动态: 欧盟“ESTAT----Garments”提出了新的标准
二．技术指标
2.1 外观要求无破损、斑点、污物
2.2 静电指标：Q<0.6μc/件
电阻: 点对点1.0×105 ~ 1.0×1010, 点对地1.0×105 ~ 1.0×1010
摩擦电压<100V
2.3 耐洗涤: A级, >33小时(或100次)
B级, >16.5小时(或50次)
三．其它要求:
3.1 服装上一般不得使用金属附件,必须使用(钮扣,拉链)时,应保证穿着时,金属附件不得直接外露.
3.2 服装应全部使用防静电织物.不使用衬里. 必须使用衬里(衣袋,加固布等)时,衬里的露出面积占全部防静电服内面露出面积的20%以下; 超过20%(如防寒服或特殊服装)时, 应做成面罩与衬里为可拆式.
3.3 服装的断裂强力: 径向: >780(厚料); >490(薄料)
纬向: >390
四．洗涤:
洗涤液浓度: 2g/L
洗涤水温: (40±3)℃
浴比: 1: 30(布: 水)
水容量: 30L以上
2．无尘服
一.最大特点:
既防静电, 又不起尘, 不发尘
二.防静电无尘服的基本要求
2.1 防静电要求
不起尘, 不发尘: 主要对纤维的要求
分级
按1级
10级
100级
1000级
10000级
100000级对尘粒数量有不同要求
(ISO标准分9级,我国分6级)
对尘粒粒径,按
0.3 μm
0.5 μm
1.0 μm
2.0 μm
5.0 μm 不同大小的粒子在CuFt中的个数来区分.
对离子也有要求:分无机离子,如:PO4, F, CL, NO2, Br,NO3,SO4
金属离子,如:Li,Na,NH4,K,Mg,Ca
2.4 其它: 条纹, 方格, 无纺布, 缝纫线
连体式, 分体式
尺寸
三.无尘服的原料
3.1 目前有长纤维、无纺布、超长纤维、微细纤维等几种。

3. 1.1长纤维(non-run interlocked fibre) (10—100级)
有的单层编织而成;有的双层编织而成.
3.1.2无纺布(non-woven spunlace) (10—100级)
实例1: 经济型. 发尘量: 440P/cu ft (dry flex). 适用于净化100S级
实例2: 全能型. 发尘量: 65P/cu ft (dry flex). 适用于净化1--10S级
实例3: 完美型. 发尘量: 29P/cu ft (dry flex). 适用于净化1--10S级
3.1.3超长纤维( super-long non—run interlocked fibre)（10—100000级）
实例4: 发尘量: 1500P/cu ft (dry flex). 适用于净化1000S—100000S级
3.1.4 微细纤维(Microfibre)(10—100级)
是超细聚脂材料制成的连续长纤维. (non—run interlocked fibre)
3.1.5高级螺萦纤维(Rayon)
在水中缠绕拉丝制成.
3.1.6 高级双斜文棉卡
最大特点: 耐高温(150度)
3.1.7无纺布PE与植物纤维的混合. (10—100级)
例如: 55%的木浆与45%的聚脂, 无纺制成.
最大特点: 高吸水性.
实例5: 发尘量: 960P/cu ft (dry flex). 适用于净化100S级无纺布木浆与PE混合.
实例6: 发尘量: 59P/cu ft (dry flex). 适用于净化1000S级
3.2 典型无尘服使用的长丝及无尘布:
日本帝人公司: T-25, 涤纶长丝, ρ<106Ω.cm, 无尘布: σ=1.5μc/m2,1型;2型为2.7
无尘服:0.2μc/件(条纹型);0.18(方格型)
美国Dupont公司: 尼龙长丝, ρ: 103—105Ω.cm
美国孟山都公司: 尼龙长丝, ρ: 102—105Ω.cm
日本钟纺公司: 无纺布, U<103V
日本东丽公司: 无纺布
四.无尘服的技术标准
国际标准: ESD DS 2.1—1995 ESD防护衣物的电阻测试标准
我国相关标准: QJ2214—91 洁净室(区)内洁净度级别及评定
GBJ733—84 洁净厂房设计规范
防静电服国标: GB12014—89
Q<0.6μc/件
耐洗涤: A级: 33小时或100次
B级: 16.5小时或50次
也可测量其它量. 如: 剩余电压(A: 100V. B: 300V. 特殊要求: 25V)
表面电荷密度
体积电阻率
静电半衰期
五.无尘服的洗涤:
水质: 电阻率1015—1018Ω.(并非越高越好)
无尘环境
洗涤机本身
操作人员
六.无尘服的配套
6.1 无尘工作帽、净化面罩、净化口罩、净化手套、净化手指套（例如无粉乳胶手指套，无粉，无硫磺（银盘反应））
6.2 净化/防静电工作椅(例如: 100—10000级要求系统电阻率106—108Ω/cm2)
6.3 净化纪录纸、打印纸、纪录本
6.4 超净擦拭布、纸(100级, 适用于电子,微电子,生物制药,液晶,通信零件; 1000—10000适用于光学,水晶玻璃,照相,微电子等)
6.5 超净胶带、超净棉签、无尘室拖布
6.6 空气粒子计数仪(有不同粒径通道)
6.7 洁净兼容度: 无粒子离子发生器
高洁净度环境下的离子风机。