防静电知识讲座(4)

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• 在本世紀70前代以前,很多靜電問題都是由於 人們沒有靜電意識而造成的,即使現下也有很 多人懷疑靜電會對電子產品造成損壞。這是因 為大多數靜電損害發生在人的感覺以下,因為人 體對靜電放電的感知電壓約為3KV,而許多 電子元件在幾百伏甚至幾十伏時就會損壞,通 常電子器件被靜電損壞後沒有明顯的界限,把 元件安裝在PCB上以後再檢測,結果出現很多 問題,分析也相當困難。特別是潛在損壞,即 使用精密儀器也很難測量出其性能有明顯的變 化,所以很都電子工程師和設計人員都懷疑靜 電,近年但實驗證實,這種潛在損壞在一定時 間以後,電子產品的可靠性明顯下降
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靜電放電造成 微電子電路損傷的模式
靜電放電強電場效應 強電場導致MOS聲效應器件的閘極氧化層被擊穿,
使器件失效。 強電聲導致微電子電路絕緣介質擊穿,或使器件
性能下降。 強電場使積體電路和精密的電子組件老化,降低
設備壽命。
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電子工業哪些過程會 產生靜電危害
• 元件從生產到使用的整體過程中都會產生靜電,依各階 段的可分為︰
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機理分析
• 一般說來,靜電放電都是在微秒或鈉秒量級完 成的,因此這一過程是一種絕熱過程,放電瞬 間透過回路的大電流,形成局部的高溫熱源。 對微電子器件而言,其靜電放電能量透過器件 集中釋放,其平均功率可達幾千瓦,熱量很難 從功率耗散面向外擴散,因而在器件內形成大 的溫度梯度,造成局部熱損傷,電路性能變壞 或失效。
點非常重要。人體有感覺的靜電放電電壓在3000 ─ 5000V之間,
然而,元件發生損壞時的電壓僅幾百伏。
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生產場所中的靜電危害源
物體或工藝加工
材料或活動

站起 行走 操作
工作服
椅子
組裝、清洗、測試 和維修區
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靜電是如何產生的 小結
• 任何兩個不同材質的物體接觸後現分離即可產 生靜電。
• 摩擦的實質是一種接觸分離過程。 • 當帶電物體接近不帶電物體時會感應靜電。 • 大部分器件的靜電破壞電壓都在幾十至幾百伏,
而在乾燥的環境中人活動所產生的靜電可達幾 千伏到幾萬伏。
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靜電放電造成火箭飛行失敗統計表
序號 1
2•
3
4
5
6 7
8
火箭名稱 民兵I
飛行試驗 代號
FTM-502
發射時間 1962
高度/KM 7.6
真空度 /mmHg
316
民兵I
FTM-503 1962
21.8
39.6
歐羅尼II F-II
1971
27
5
高科技工業生產中靜電危害的 形成
• 高工業生產的高速發展以及高分子材料的迅速 推展應用,一些電阻率很高的高分子材料如塑 膠,橡膠等的製品的廣泛應用以及現代生產過 程的高速化,使得靜電能累積到很高的程度,
• 另一方面,靜電敏感材料的生產和使用,如輕 質油品,火藥,固態電子器件等,工礦企業部 門受靜電的危害也越來越突出,靜電危害造成 了相當嚴重的後果和損失。
損傷或毀壞電子產品。
2
3
人類對靜電的認識
• 靜電學是電學中最古老的學科 • 據有資料記載,古希臘哲學家塔勒斯
(Thales)西元前640-546年在研究天然磁石 的磁性時發現用絲綢、法蘭絨摩擦琥珀 (Amber)之後也有類似於磁石能吸引輕 小物體的性質。電這個詞起源於希臘語 (琥珀)
4
二十世紀中後期靜電危害震 驚世界
靜電對電子產品損害的 四種形式
• 吸塵(縮短壽命) • 放電破壞(完全破壞) • 放電產生熱(潛在損傷) • 放電產生電磁場(電磁干擾)
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靜電的基本物理特性為︰吸引或排斥,與大地有 電位差,會產生放電電流。這三種特性能對電子 元件的三種影響︰
1.靜電吸附灰塵,降低元件絕緣電阻(縮短壽 命)。
2.靜電放電破壞,使元件受損不能工作(完全破 壞)。
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靜電對電子產品損害的特點
• 3. 性 • 子元件甚么情 下 遭受 破 呢?可以 么 , 一 元件 生
以後,一直到它 以前,所有的 程都受到 的威 ,而 些 的 生也具有 性性。其 也具有 性性。 • 4. 性 • 放 的失效分析工作,因 子 品的精、 、微小的架 特 而 、 事、 ,要求 高的技 往往需要使用 描 等 高精密 器。即使如此,有些 象也 以 其他原因造 成的 加以 ,使人 把 失效 作其他失效。 在 放 害未充分 之前,常常 因於早期失效或情 不明的失效, 而不自 地掩 了失效的真正原因。所以 子器件 的 分析具有 性。
• 美國從1960年到1975年由於靜電引起的火災爆 炸事故達116起。
• 1969年底在不到一個月的時間內荷蘭、挪威、 英國三艘20萬公頓超級油輪洗艙時產生的靜電 引起相繼發生爆炸以後引起了世界科學家對靜 電防護的關注。
• 我國在石化企業發生了30多起較大的靜電事故, 其中損失達百萬元以上的有數起。
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靜電對電子產品損害 的四個特點
• 隱蔽性︰人體感知的靜電放電電壓2-3KV • 潛在性︰操作後性能沒有明顯的下降 • 隨機性︰從一個元件產生以後,一直到它損壞
以前的所有過程 • 複雜性︰分析困難,掩蓋了失效和真正原因
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靜電對電子產品損害的特點
1. 隱蔽性 人體不能直接感知靜電除非發生靜電放電,但是發 生靜電放電人體也不一定能有電擊的感覺,這是因 為人體感知的靜電放電電壓為2-3 KV,所以靜電 具有隱蔽性。 2. 潛在性 有些電子元器件受到靜電損傷後的性能沒有明顯 的下降,但多次累加放電會給器件造成內傷而形 成隱患。因此靜電對器件的損傷具有潛在性。
相對濕度 (65-90)%
人在地毯上走動
35
1.5
在工作台上操作
6
0.1
從工作椅上站起
18
1.5

17
器件所能承受的靜電電壓
器件類型 VMOS OP-AMP
靜電破壞電壓 (V)
30~1800
190~2500

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幾千伏到幾萬伏
幾十伏到幾百伏
器件
人體靜電電壓
要密切注意元件在不易察覺的放電電壓下發生的損壞,這一
製導系統控制單元件故障,火 箭翻滾,發射失敗
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電子工業中靜電問題的產生
靜電是時時刻刻到處存在的,但是在二十世紀 40-50年代很少有靜電問題,因為那時是晶體 三極管和二極體,而所產生靜電也不如現下普 遍存在。在60年代,隨著對靜電非常敏感的M OS器件的出現,靜電問題也出現了,到70年 代靜電問題越來越來嚴重。80-90年代,隨著 積體電路的密度越來越大,一方面其二氧化矽 膜的濃度越來越薄(微米-納米),其承
7.94
偵察兵 S-112
1964
38-42
3.09-1.86
偵察兵 5128
1964
38-42
3.09-1.86
大力神 C-10
1967
26
8.94
IIIC
大力神 C-14
1967
17
52
IIIC
德爾安 2313
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ74
故障簡況及原因
靜電放電造成製導計算機故障,I 級發動機關閉前自毀,發射失敗
靜電放電造成製導計算機故障,I 級發動機關閉前自毀,發射失敗
• 序清單中的物質離得越遠,各自所帶的電荷數量也越大。 常見物質的磨擦起電序列如下表所示︰
(+) 兔毛 玻璃 雲母 人發 尼龍 羊毛 毛皮

絲 鋁 棉花 鋼 木材 琥珀 封臘 硬橡膠
銅、鎳 銀、黃銅 金、白金
硫磺 醋酸酯纖維
聚酯 賽璐珞
矽 聚四氟乙烯
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感應靜電起電 物體不接觸也能起電
• 當帶電物體A接近不帶電物體C時
3.靜電放電電場或電流產生的熱,使元件受傷 (潛在損傷)。
4.靜電放電產生的電磁場幅度很大(達幾百伏/ 米)頻譜極寬(從幾十兆到幾千兆),對電子產 器造成干擾甚至損壞(電磁干擾)。
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靜電對電子產品損害
• 如果元件全部破壞,必能在生產及品 管中被察覺而排除,影響較小,如果元 件輕微受損,在正常測試下不易發現, 在這種情形下,常會因經過多層之加工, 甚至已在使用時,才發現破壞,不但檢 查不易,而且其損失亦難以預測。要耗 費多少人力及財力才能清查出所有問題, 而且如果在使用時才察覺故障,其損失 將可能巨大。
6
靜電放電防護意義
• 1、減少損失(例如︰美國一年的損失達200多 億美金,僅電子工業的損失超過100多億美金)
• 2、提升產品性量和可靠性 • 3、提升生產效率 • 4、靜電防護回報達1︰95以上
7
靜電放電的培養訓練人員
• 領導管理人 • 設計工程師 • 現場工程師 • 維護、修理技術人員 • 倉儲人員 • 質量控制和檢測人員
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靜電放電造成微電子電路
損傷的模式
• 靜電放電引發的瞬時大電流(靜電火花) 引燃引爆易燃、易爆氣體混合物或電火 工品,造成意外燃燒、爆炸事故。
• 靜電放電使人體遭受電擊引發操作失誤 造成二次事故、靜電場的庫侖力作用使 紡織、印刷、塑膠包裝等自動化生產線 受阻。第三類靜電危害是由於靜電放電 的電磁輻射或靜電放電電磁脈波(ESD EMP)對電子設備造成的電磁干擾引發 的各種事故。
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代表性的培養訓練內容
• 基本知識與基本原理 • 靜電防護操作要求 • 防護器材 • 測量與標準 • 敏感度分類 • 包裝、標誌 • 防靜電工作區
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靜電起電定義
• 靜電起電包括使正、負電荷發生分離的一切過 程,如透過固體與固體表面、固體與液體表面 之間的接觸、摩擦、碰撞,固體或液體表面的 破裂等機械作用產生的正、負電荷分離。也包 括氣體的離子化、噴射帶電以及在粉塵、雪花 和暴風雨中的帶電現象。
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靜電放電造成微電子電路 損傷的模式
• 金屬布線與擴散區(或多晶)接觸孔產生火花, 使金屬和矽的歐姆接觸被破壞。
• 使節點的溫度超過半導體矽的熔點(1415℃) 時,使矽熔解,產生再結晶,造成器件短路。
• 金屬化電極和布線熔解、“球化”,造成電路 開路。
• 大電流流過PN結產生焦耳熱,使結溫升高,形 成“熱斑”或“熱奔”,導致器件損壞。
• 在導體C的a端和b端分別感應出負電和正電

+
圖1

A+ +
+

+
C
B ++
+
++
靜電感應引起放電

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其他起電模式
• 熱電起電 • 壓電起電 • 斷裂起電 • 電解帶電 • 亥姆霍茲層 • 噴射起電等
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人活動產生的靜電電壓 (參考數據)
人體活動
靜電電壓 (KV)
相對濕度 (10-20)%
靜電電壓 (KV)
靜電放電使製導計算機阻塞,姿 態失控,約一分鐘後,火箭I、II級 過載自毀發射失敗
電爆管橋絲和殼體之間因電弧 擊穿,II級發動機自毀系統爆炸, 發射失敗
電爆管橋絲和殼體之間因電弧 擊穿,II級發動機自毀系統爆炸, 發射失敗
靜電放電使製導計算機故障後 自動轉移到應急後備狀態
靜電放電使製導計算機故障後, 經地面發射指令,修正到預定 軌道
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摩擦起電的實質
• 接觸分離起電
• 任何不同材質的物體接觸後再分離,即 可產生靜電
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靜電是如何產生的
• 接觸分離起電(本質) • 摩擦起電 • 摩擦實質上是一種接觸分離造成正負
電荷不平衡的過程 • 工作時常接觸到的物體有︰ • 桌面、地板、椅子、衣服、紙張、卷
宗、包裝材料、流動空氣。
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1.3靜電帶電序列
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金屬與金屬的接觸起電
• 兩種不同的金屬I和II相接觸時,當它們之 間的距離小於25×10-10m時,由於量子力學的 隧道效應,兩種金屬內的電子穿過界面而互相 交換。
• 由於兩金屬的功函數不同,對電子的吸引力不 同,當達到平衡時,一種金屬失去電子帶正電, 另一種金屬得到電子帶負電,界面兩側出現了 等量異號電荷(偶電層),兩金屬之間產生了 一定的電位差(接觸電勢差)。
• 1.元件製造過程 • 在這個過程,包含製造,切割、接線、檢驗到交貨。 • 2.印刷電路版生產過程 • 收貨、驗收、儲存、插入、焊接、品管、包裝到出貨。 • 3.設備製造過程 • 電路板驗收、儲存、裝配、品管、出貨。 • 4.設備使用過程 • 收貨、安裝、試驗、使用及保養。
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為什麼要提升靜電防護意識
防靜電知識講座
1
日常生活中的靜電
從地毯上走過,抓住門的把手,梳頭,脫毛 線衣,火花產生了。這個現象就是人們所知的
靜電放電(ESD, electrostatic ischarge)
。人類透過日常活動可產生高達25,000V的靜電 放電。人類手的神經可感覺到低至大約3,000V 的靜電放電。只需要10V的ESD就可毀壞今天IC 內部的某些極小零件和跡線。其結果是,雖然 ESD看不見、聽不到或感覺不到,但可重大地
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電子工業中靜電問題的產生
承受的靜電電壓越來越低,另一方面, 產生和累積靜電的材料如塑膠,橡膠等大量 使用,使得靜電越來越普遍存在,僅美國電 子工業每年因靜電造成的損失達幾百億美圓, 因此靜電防護已成為電子工業的隱形殺手。 是電子工業普遍存在的〞硬病毒〞,在某個 時刻內外因條件具備時就要發作。
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