静电防护

Source : Semiconductor Reliability News, March 1993
Others 6%
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失效的程度
1. 毀壞性失效
元件不再工作; 約佔靜電破壞的10%
2. 性能減低及/或電場過早失效
元件仍然工作,但有存在之隱憂; 約佔靜電破壞的90%
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單個元件 電路板組裝 產品裝配 包裝
最終使用者
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Ranking of Semiconductor Failure Causes
EOS/ESD
EOS/ESD is the #1 Cause of Semiconductor Failure
59%
Electrical testing 3% Oxide/passivation failure 3% Conductor failure 3% Die fracture 4% Lead short/open 7% Wire bonds 15%
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靜電是 什麼?
靜態的電荷
電子失去平衡 摩擦
(Triboelectric Charging Effect)
引起靜電 的原因?
靜電如何 產生?
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缺少電子
電子與中子平衡
得到電子
p n
n p
p n
n p
p
n p
n
正離子
中性粒子
負離子
物質表面經由某種過程(如磨擦)而失去電子或 得到電子,使帶靜止的電荷謂之靜電
靜 電 防 護 研 討 會 3M Taiwan
ESD Aware
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Human Perceptions of ESD

At 3,000 volts, you can volts
ESD

At 5,000 volts, you can volts
ESD

At 10,000 volts, you can volts
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一般的靜電電壓
溫度: 210 C
靜電產生的途徑 濕度
靜電電壓 (V)
百份之十至二十的相對濕度 百份之六十至九十的相對
在地毯上走過 在乙烯基地板上走過 工人在工作台工作 乙烯基包封的施工說明 從工作台檢來普通聚 乙烯袋 墊以聚氨基甲酸酯海 綿的工作椅
35,000 12,000 6,000
接地須知
建議使用共同接地同點
電氣系統接地較獨立系統或樓房的地面有效
EOS/ESD協會標準6.1是最廣為人接受的 接地準則
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2.中和方式:
利用吹出大量之正負離子將非導體
(絕緣體)表面上的靜電荷中和.

==> 離子風扇/離子槍
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3. 遮蔽方式:

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靜電防制主要途徑

1. 2. 3. 4.
發散方式 (接地) 中和方式 遮蔽方式 預防
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1.發散方式:

藉由通路建立, 將導體上的靜電排除 (接地) 藉由通路電阻, 限制電流速率大小


藉由通路電阻, 控制靜電消散時間長短
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當一靜電敏感元件由一個靜電安全
區域移送至另一個區域時, 為避免 運送途中可能產生之靜電破壞, 必 需須給予遮蔽保護. ==> 遮蔽袋/導電盒
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靜電遮蔽示意圖
靜電遮 蔽箱/袋
設有靜電防護裝 置的工作區域
設有靜電防護裝 置的工作區域
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4. 預防方式:
在靜電防護工作區域內盡可能使用抗
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Standards and Test Methods
• • • • • • • • • EOS/ESD S 4.1 EOS/ESD S 3.1 EOS/ESD S 1 EOS/ESD S 6.1 EOS/ESD S 7.1 EOS/ESD S 8.1 ESD S 11.11 ESD S 11.31 EIA - 541 - Worksurfaces - Ionization - Wrist Straps - Grounding - Flooring - Symbols - Surface Resistance - Shielding (Energy) - Packaging of Electronic Products for Shipment

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影響靜電荷產生量的因素
相對濕度 物質材料(磨擦電序列) 接觸的面積 摩擦頻率/速度
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相對溼度
良好靜電安全區域(SSZ), 其相對濕度條 件應在50%+/-10%, 一般工廠作業區域其 溼度不宜低於30%.

若低於30%時可考慮使用離子中和設備 或是加濕器.
104 105 106
108 109 1010
1012
1014
導電的
耗散的
防靜電的
絕緣的
DOD HDBK 263 (美國國防部手冊 263)
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靜電名詞定義
導電材料 (Conductive) 表面阻抗率 < 1*10 5 ohm/square 靜電消散材料 (Disspative) 1*10 5 <表面阻抗率 < 1*10 9 ohm/square 抗靜電材料 (Anti-Static) 1*10 9 <表面阻抗率 < 1*10 12 ohm/square 絕緣材料 (Insulative) 表面阻抗率 > 1*10 12 ohm/square
ESD
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半導體裝置的靜電敏感度
裝置的類型
硬碟機讀寫頭 縱向金屬氧化物半導體 金屬氧化半導體場效應晶體管 砷化鎵場效應晶體管 電可編序讀存貯器 結型場效應晶體管
靜電貯存偏轉的範圍敏感度的門限值（V）
20 30 - 1,800 100 100 100 140 - 7,000 200 300
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製定ESD標準之組織
Military -- MIL-STD-883E EIA/JEDEC -- EIA 541 -- EIA 625 ESD Association International Organizations

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測試標準及週期
3800伏/秒
3200伏/秒 秒
時間
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磨擦電序列
正(Positive)
空氣 (Air) 人手 (Hands) 玻璃 (Glass) 毛髮 (Hair) 石英 (Quartz) 尼龍 (Nylon) 羊毛 (Wood) 絲綢 (Silk) 鋁 (Aluminum) 紙 (Paper) 棉 (Cotton) 鋼 (Steel) 木 (Wood) 橡膠 (Rubber) 金 (Gold) 多元脂 (Polyester) 聚安脂 (Polyethylene) 聚乙烯 (Polyethylene) 聚丙烯 (Polypropylene) 乙烯基 (Vinyl) 矽 (Silicon) 鐵弗龍 (Teflon)
System Level
Board Level Component Level
$5000 $500
$50 $5
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人體放射出的靜電場
4000 5000
3000 2000 100 0
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工作區域內易產生靜電的東西
工作的桌面 地板 椅子 衣服 紙張及文件夾 包裝材料 高速氣流
1,500 250 100
7,000 20,000 18,000
600 1,200 1,500
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人體的電壓變化
單足提起 最高1550伏 伏 操作員坐下 操作員行走 雙足垂下 最高850伏 3200伏/秒 操作員站立 操作員坐下 最高1400伏
1500
電壓的高度
1000 500 0
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成本分析

可以馬上發現之靜電破壞所須花費成本:


-- Component : 1
-- Board : 10 ~ 100 -- System : 100 ~ 1000 若為潛在故障, 損失為以上之數倍 客戶不滿意之成本則無法衡量
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Cost of ESD damage increases by ten (10) fold at every incrementalLevel Field Service level
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+ + +
+
+ +
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+
+
當物質接觸和分離時便產生電荷
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靜電產生原因
磨擦生電 (Triboelectric) 感應 (Induction) 電容變化 (Change in Capacitance) 光電效應 (Photoelectric Effect) 粒子波 (Particle Beam) 結冰 (Freezing) 游離輻射衰變 (Radioactive Decay) 場發射(Field Emission) …
SAW
運算放大器 CMOS互補型金屬氧化物半導體（具輸入防護裝置） 散粒二極管 薄膜電阻（厚，薄） 雙極晶體管 ECL發射極耦合邏輯電路（於印刷電路板水平） 半導體控制整流器 散粒晶體管 - 晶體管邏輯電路
150 -
500
190 - 2,500 250 - 3,000 300 - 2,500 300 - 3,000 380 - 7,000 500 680 - 1,000 1,000 - 2,500
負(Negative)
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ESD的影響
產生局部高溫或電位差,造成元件損壞
元件性能失常/衰老/提早老化
火警或爆炸的危險
客戶抱怨,商譽損失
成本問題
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DAMAGES CAUSED BY ESD
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在任何階段皆 可出現裝置失效

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Rule 3 - Test Equipment


Tester for Wrist/Shoe Strap Resistance measuring meter for worksurfaces and flooring Fieldmeter for Ionization
手環 至少每天檢查一次 <109 OHMS ESD S - 1.0
靜電桌/地墊 每三個月 接點 - 每天/每週 ESD S - 4.1
導電鞋 每週 <109 OHMS ESD S - 9.0
鞋環 每天 < 109 OHMS ESD S - 9.0
導地板 每三個月 ESD DS - 7.1 電離子中和作用 房間 － 每三個月;<20秒 檯面 － 每三個月;<10秒 噴鎗 － 每週;<2秒 ESD S - 3.1
靜電/導電或是阻抗值較低之材料. ==> 抗靜電桌/地墊
靜電無法完全避免,只能予以限制！
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摘 要
每當不同的物質分離時會產生靜電
電場引起電感效應 靜電釋放導致能量轉移(由靜止電壓轉為流動之電 流),要控制放電的速度 導體上的靜電可用接地技巧所控制
非導體上的靜電可用離子化作用所中和
工作人員
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導體及非導體

導體 非導體
容許電子在物體表面流動 阻止電子在物體表面流動


因此 .......


將導體接地以消除其上的靜電荷 及 以離子化空氣中和非導體上的靜電荷
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電阻之區分
ANSI/EIA-541 導電的
耗散的
絕緣的
靜電屏蔽
100
102
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Rule 1 - Solutions

Worksurface Materials Flooring Materials Wrist Straps Shoe Grounding Ionization
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Rule 2 - Solutions

Flexible packaging - shielding bags Rigid containers - tote boxes, trays, card carriers
運送時可用靜電屏蔽產品來防護
最重要的靜電防護工作:完整的接地系統!!!
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靜電防護的四項基本原則
1. 在靜電防護工作區域內處理靜電敏感元件 ==> 桌墊/導電地板/手環/腳環/離子風扇 2. 用靜電遮蔽袋或容器運送及儲存靜電敏感元件 ==> 靜電遮蔽袋/導電箱/導電盒/導電盤 3. 定期檢測所有靜電防護系統是否操作正常 ==> 表面阻抗測試儀/靜電測試儀 手腳環測試儀/離子風扇測試儀 4. 確認每一個供應商明白並遵從以上三項原則 ==> 稽核供應商工廠靜電防護系統