ESD防静电介绍

横 切 面 放 大 (2,000) 20
横 切 面 放 大 (10,000)
ESD防静电知识讲解
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什么是静电放电 (ESD) 静电如何形成 半导体产品抗静电能力 ESD 的影响质量方式 组件被ESD 破坏之原因及型态 ESD破坏分析 静电防护 各类常用静电防护材料 各种静电标示警告 制程对ESD之要求
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◇ 组件被ESD 破坏之原因及型态 ◆ 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组件的三种影响： 1. 静电吸附灰尘，降低组件绝缘电阻（缩短寿命）。 2. 静电放电破坏，使组件受损不能工作(完全破坏)。 3. 静电放电电场或电流产生的热，使组件受伤（潜在损伤）。
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3. 金属层崩熔（Metalization Burnout） 由于过大的电流流经金属层，并在较脆弱的地方产生，由于此种 破经常是伴随着接面短路或是氧化层短路之后发生故属于所谓的 二次崩溃（Secondary Breakdown）。而其现象为断路。
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试验条件：
试验结果：
材料：54s163
测试前 I=2.883μA
PASS
人体电容：100pf
第一次 I=2.883μA
PASS
每次放电：50V
第二次 I=2.890μA
PASS
放电次数：5次
第三次 I=2.890μA
PASS
测试点：Vin=Pin2 (A) GND=Pin8 (B)
第四次 第五次
I=1.872mA I=2.147mA
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Amber
Acetate Rayon Brass , Silver Gold , Platinum Hard Rubber Orlon Polyester Poly urethane Polyvinyl Polyethylene Polypropylene Sealing Wax Silicon Sulfur Teflon Nickel , Copper
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◆ 静电的累积破坏 – 负伤而行
• 接面崩熔（Walking Wounded） – 许多实验证实静电能使半导体负 伤，但不玫立即完全破坏其功能，而且有多数这些『负伤而行』的 组件都能通过测试直到这些组件送到客户之后，随时会从『负伤而 行』变成完全失效。
• 下面是一ESD累积破坏的试验： 应用前述HBM接线方式（仅略去人体的电阻R2=1.5KΩ）来 量测54S163IC
琥珀
人造丝 黄铜 , 银 金 , 白金 橡胶 奥龙 多元脂 PU聚亚氨脂 PVC聚氯乙烯 PE聚乙烯 PE聚丙烯 蜡 硅 硫磺 铁弗龙 镍,铜
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◆ 静电就在您的周围 – 人在走路或跑步就可以产生可观的静
电，下面是一个量测人体静电的实验
静电压量表
不锈钢板
(Static Locator) ( 12〞x 12〞)
◆ 工作场所中常见的静电产生物质或活动 ：
• 工作桌面 – 一般的塑料、上腊、上漆。
• 地 板 – 水泥地板、一般塑料地板。 • 衣 服 – 人造纤维衣服、一般非导电鞋、 抹布。 • 椅 子 – 木材椅、塑料椅、玻璃纤维椅。 • 包装及运送 –塑料袋、泡棉、保丽龙、塑料盒。 • 组装、加工、测试、修理 – 喷雾清洁剂、吸锡器、铬铁、 刷子
、塑料带、 热气、烤箱、 复写纸。
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人(不带静电环)
导线
鞋子(皮鞋或球鞋)
绝缘架
一般地面
量测时温度为24.5℃，相对湿度 RH 为55 %
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◎ A)上述条件测量结果
所穿鞋子
动作
皮鞋
原地慢速踏步
皮鞋
原地快速跑步
球鞋
原地慢速踏步
球鞋
原地快速跑步
◎ B)当不同条件下，静电压之变化
产生方法
10%~20%相对湿度
Air
正性(+)
Asbestos
Aluminum
Cotton
Fur
Glass
Hands
Human Haer
Rabbit Fur
Silk
Steel
Wool
Wood
空气
石棉 铝 棉 皮革 玻璃 手 头发 石墨 云母石 尼龙 纸 兔毛 丝 钢丝 羊毛
木材
Negative 负性(-)
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3. 摒蔽静电场（Field Shielding）
此种方法乃利用Farady Cage 之原理使静电场被摒蔽在容器之外围。 图是－5KV电场下各种容器内测得的静电场，右图是一摒蔽电场之模型
3.0 電 2.0 壓 (kv) 1.0
0
一般PE袋
防靜電袋
導電袋 1.0 2.0 3.0
時間 (秒)
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金屬 容 器
電場無法貫穿僅分佈表面
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FAIL FAIL
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◆ ESD破坏LCM面板的微观图片
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◇ 静电如何形成
◆ 静电是史载最早发现的一种〝电〞 – 静电其实是自从有人类以来，就影响着人类的生活 – 公元前 640年， 希腊哲学家 THACES（撒奇) 把琥珀(Amber) 摩擦后发现可以吸附毛发，而开始知道静电的存在
◆ 静电的形成
• 导 体 – 具有可移动的电子或价电子 (Valence Electrons) 在原子
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◇ 静电防护
◆ TFT- LCD 设计的静电防护(治本方法) 本方法乃是静电防护最好的办法，但在设计TFT面板的抗静电 电路时，必须考虑到电路产生热的影响、反应时间、 最大电 压、 能量传导、 寄生电容等等因子，故并非随心所欲可以办 到。因此静电防护仍必须靠一些治标的方法。
◆静电防护的基本原则 1. 避免静电产生 2. 疏导或中和所产生之静电 3. 屏蔽静电场 逐一介绍说明如下：
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◇ 什么是静电放电 (ESD)
◆ 严寒的冬天，当您脱下暖和的毛衣，您会听到哔哔啪啪声 ◆ 干燥的冷天，当伸手去开车门或窗户，会感到触电的感觉 ◆ 用手去抚摸家里的猫，您会发现猫竟然怒发冲冠
这些就是静电瞬间泄放(ESD)所主导产生的现象 ESD-Electro Static Discharge ◆ 其实静电并不仅由 人为 才会产生，例如 – 空中对流的云层 – 沙漠中随风飘起的砂
走过地毯
35,000
走过塑料地毯
12,000
在椅子上工作
6,000
拿起塑料活页夹 7,000
工作椅垫摩擦
18,000
6
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产生静电压(Volts) 150~200 200~250 200~250 250~350
65%~95%相对湿度 1,500 250 100 600 1,500
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e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
ee-
7P+
e-
摩
ee-
擦
ee-
7P+
e-
ee-
平衡原子 1
平衡原子 2
e-
7P+
e-
e-
e-
7P+
ee-
ee-
ee-
帶負電原子
帶正電原子
3
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◎物质产生静电大小排列如下表，其中愈正性与愈负性物质互相摩
擦产生之静电愈大
Positive
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讲师：王燕平
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什么是静电放电 (ESD) 静电如何形成 半导体产品抗静电能力 ESD 的影响质量方式 组件被ESD 破坏之原因及型态 ESD破坏分析 静电防护 各类常用静电防护材料 各种静电标示警告 制程对ESD之要求
结构的最外层，其受原子核 (Nuclei) 的束缚最小，当受到外 来电场的吸引而移动 (产生电流) ，此类物质称为导体
• 绝缘体 – 缺乏上述之可移动的电子或价电子的物质，称为绝缘体
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◎以物体抗静电性来区分材质
– 导电性 (Conductive)材质: 表面电阻系数在 105Ω/square 以下 – 静电衰减性(Static Dissipative)材质:表面电阻系数介于105 ~ 1012Ω /square – 抗静电性(Anti-Static)材质:表面电阻系数介于109 ~ 1012 Ω /square – 绝缘体(Insulator)材质:表面电阻系数介于 1012 Ω /square以上 ◎摩擦生电
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1. 避免静电产生 (A) 潮湿法(Moisturing)水气本身会有导电现象，故可降低绝绿体表面电 阻，达到静电防护目的 (B) 抗静电涂布法(Anti-Static Coating) – 有部份溶液可喷洒于绿体表面降 低物体表面电阻，达到静电防护的目的。但此种涂层，日久会脱落而 渐渐失去其效果，故必须考虑其有效期。 (C) 内部静电剂法(Imbeded Anfi-Static Agent) – 这是在材料中加入具有导 电性或吸湿性的物质，使其外层具有轻微导电性。此方法可以不必考 虑有效期，但成本较高。
2. 疏导或中和静电法 (A) 疏导法(Bleed-Off)
典型的疏导法就是配带静电环(Wrist Strap)，是将人体产生之静电电 荷，藉由导线将所产生之电荷传导出去。通常静电环中会接一1MΩ 之接地电阻，以保护人员工作之安全。
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(B) 中和法(Neutralization) 利用静电消除器(Ionizer)来释出正、负离子以中和消除静电效应。目前 常用的静电消除器有下列几种： a. 放射性静电消除器 – 使用放射性物质钋或元素之辐射能来撞击空 气使之分裂成等量的正、负离子。使用此Ionizer必须加防护结构。 其优点是不需电源容易装置，具有防炸功能；缺点是使用寿命短 (每年更换)，必须离使用遇火警时极危险。 b. 高压静电效应消除器 – 利用针点高压(5KV左右)尖端放电来电离 空气分子。此种装置具有高效率及高安全性之特点，所产生之电 流仅几微安培(μA)，不会产生电击。 c. 感应静电效应消除器 – 这是利用带电物质之高电压(对接地点)来 电离空气离子
A. 即使ESD的能量未能打穿接面（Junction Burnout），也能造成元 件的失效
B. 正向偏压的ESD破坏能量是负向偏压的5~15倍
E
E
B
B
C
C
2. 氧化层贯穿（Oxide Punch Through） 通常在金属氧化层半导体（MOS）上可以发现此类型之破坏， 这是由于外加的静电压超过了氧化层的崩溃电压所致。其现象亦 是短路。
◆ ESD破坏之原因：
1. 功率产生：如热崩溃、 金属被熔融 2. 电压产生：如介电质崩溃、表面崩溃 3. 潜在性故障：如功能劣化、降级
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◆ ESD破坏之型态
1. 接面崩熔（Junction Burnout） 过大的电流通过接面时，产生极大的热量，使得接面崩熔。此种 破坏是属于接面短路，并有二个特性
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◇ ESD破坏分析
◆ 找出LCM上之故障组件 ◆ 对故障组件进行基本电性量测
– 功能测试 – 参数测试 ◆ X-ray做表层分析 ◆ 逐层分析，检视内部 ◆ 几种遭ESD破坏案例参考
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去铝层之后的接合窗
A金属接合窗
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