静电防护技术及理论
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静电。 • 除了增加接触面，摩擦也同时增加分离速度。
8/94
摩擦和接触生电
• 摩擦过程所产生的热能增加电荷的迁移程度。
• 不同的摩擦试验得出不同的Triboelectric series结论
• “接触生电” 较“摩擦生电”的观念较为正确 !
9/94
电感效应
+
+ +++++ ++
Uncharged Object Charged object
静电的产生有四个途径。。。 1. 接触分离 （最常见的‘摩擦’） 2. 电感应 3. 电容效应 4. 压电效应
6/94
静电的“产生”
‘摩 主要来源： 接触 + 擦或’ + 分离
压力
‘摩擦’生 电
7/94
摩擦和接触生电
• 静电不是由摩擦产生的！ • 摩擦过程增加接触面，接触产生静电。 • 许多物料的表面都不够平整或具备足够的柔性，来达 到接触/分离所需要产生静电的程度。 • 片状物和粘带具备良好的接触条件，所以较容易产生
-
-
1. 电感生电
--
-
-
-
-
--
2. 第一次放电
3. 器件被“充电”
4. 二次放电
CDM的防范主要从以下几方面入手： 避免器件因包装和周转容器材料的原因摩擦产生静电； 避免器件周围有静电源而产生感应带电； 与器件接触的材料使用耗散型材料。
38/94
ESD 激发 EMI
ESD 放电多是电流大时间短，容易激发强烈 EMI …
静电荷的基本单位： 库伦 Coulomb (C)
4/94
静电与电（直流、交流）的区别
现象 放电时间
静电
静止的电荷 瞬间放电（皮秒~微秒）
能量
通常情况下能量很小
人体感觉 不易感觉，通常情况下 2000V以上才能被感觉
直、交流电
流动的电荷 持续放电
能量大
36V以上的电压即可对 人体构成危害
5/94
静电的“产生”
18/94
湿度的考虑
空气中的水气增加空气的导电性，因此减少静电的产生或 累积。。。
• 相对湿度越高越好 ( > 60% ) • 高湿度对于一些考虑 ( 例如腐蚀、污染 ) 不利 • 折中湿度要求 40% ~ 60% • 干燥而带杂质的空气，在高速流动下（如清洁工艺）
也容易产生静电
19/94
什么湿度适合？
情况
35/94
带电器件模式 ( CDM )
• 模拟器件在加工过程中被机器/工具充电，而随后通过 接地放电情况
• 由于充电和放电过程中的电阻一般都很小，CDM模式 的破坏力也一般十分强大
• 自动化经常是造成巨大CDM破坏的主因 • 电感效应也常是造成CDM破坏的成因 • CDM 可能出现双放电情况，增加器件受损坏的风险
39/94
EMI 破坏
• ESD 放电产生的电磁波能够通过电感 效应在近距离的导体中产生电流
• 特别敏感器件如磁头可能被感应的电流 造成损坏
• 干扰电脑程序和数据 • P lockup 和误为软件故障
40/94
第三章：静电对电子生产制造业的影响
• 静电无处不在 • 电子材料对ESD非常敏感 • ESD造成损失严重
第二章：静电放电模型
• 人体放电模式 • 机器放电模式 • 带电器件模式
28/94
静电是否有危害？
电荷如果保持在 “静止”状态下
是安全的！ ESD (ElectroStatic Discharge)则可能具巨大 破坏性 !
29/94
+
+ +
+
+
+++ +
静电放电
+
+ +
+
+
+++ +
静电场造成空 气离子化
带静电物件或人体 接近ESDS
电离的空气
+
+++
+ +
导电放电
30/94
ESD 破坏模式
3种常见的破坏模式：
对器件放电 …
1. 人体模式 Human Body Model ( HBM ) 2. 机器模式 Machine Model ( MM )
从器件放电 …
3. 带电器件模式 Charged Device Model ( CDM )
ESD电压范围（HBMV） 10~100V 30-1800V 100-200V 100-300V 100V 140-7000V 150-500V 190-2500V 250-3000V 300-2500V 300-3000V 380-7000V 500V 500~8000V 680-1000V
27/94
人体可以感觉到 : 很敏感的器件的危险水平 : 多数敏感器件的危险水平 :
300 nC 的放电 0.1 nC 的放电 数十 nC 的放电
100 ~ 3000 倍的差异 !
22/94
ESD 敏感度的分档
分档的目的 :
• 不同的敏感度需要不同的控制做法 • 太多的管制增加成本以及操作困难 • 我们必须在成本、可操作性和效率之间取得
Voltage Range
Class C1
<125 volts
Class C2
125 volts to < 250 volts
Class C3
250 volts to < 500 volts
Class C4
500 volts to < 1,000 volts
Class C5
1,000 volts to < 1,500 volts
静电防护技术
1/94
摘要
• 静电科学基本原理 • 静电放电模型 • 静电对电子生产制造业的影响 • 静电防护原理 • 防静电系统构成
2/94
第一章：静电科学基本原理
• 静电科学 • 静电量 • 静电敏感度的分档
3/94
什么是静电 ？
静电： 静止未流动的电荷。能够长时间停留在某些物 料上。
静电放电： （Electrostatic Discharge）当两个带不同静 电电位的物件相互接近到某程度或接触时 ，静电从一个物件突然流放到另一物件上 的现象。 引申后也有静电敏感和防静电的意思 ，如说一个器件是不是ESD的，一种材料 是不是ESD的。
26KV 20KV 7KV 35KV 15KV 7.5KV 6KV 800V 400V 20KV 3KV 1.2KV
一切活动都可能产生静电！ 即使在高达 90% 湿度下，大量的静电还是可能产生 !
17/94
静电量和产生速度
接触距离，接触面积，表面粗糙度，接触压力，和物料 硬度等都是相互关联的因素 。。。
+++++++++
--------
++ ++
++ +++
+++++++++
- --- ---------
+++++++++ --------
++
++ +
++
绝缘体不能够被电感生电 !
10/94
电容效应
C = o r A / d
o = 8.85 X 10 -12 F/m r = 材料的相对介电常数
• 如果需要防静电，使用良好过滤的气体 或电离气体
13/94
静电量
决定静电量的主要因素：
• 材料（包括材料的相对性） • 接触面积和表面粗糙情况 • 接触力 • 分离速度 • 环境湿度
在干燥和快速移动活动中使用不当的材料容易产生高静电和 增加静电破坏风险！
14/94
静电序列表（例子）
带正电 + 带负电 -
20/94
静电和人体感觉
和电子器件相比之下，我们敏感性极差…
感觉到 : 听到 : 见到 :
> 2000 ~ 4000 volts > 4000 ~ 5000 volts > 5000 volts
< 100 votls 的 静电放电就足 以损坏某些电 子器件 ！
21/94
静电和人体感觉
以电荷量来看 ...
… 不同的模式需要不同的对策 !
31/94
人体放电模式 ( HBM )
• 模式电路模拟带电人体对器件放电的情况 • 70和80年代的主要破坏模式，在今天仍有重
要地位 • 随着人体接地应用、器件保护设计、以及自
动化的普及，相对重要性在衰减中 • 在维修保养作业中容易被忽略（尤其是在
Field service方面）
• 模式化对比较和沟通工作十分重要 • 即使在相同的模式中，测量结果还可能
有一定的差异会出现
26/94
部分元器件的静电敏感度
器件种类 硬盘磁头 V MOS半导体器件 MOS 场效应管器件 砷化镓场效应管器件 存储器 结型场效应晶体管 声波表面滤波器 运算放大器 C MOS 肖特基二极管 薄膜电阻 双极型晶体管 射级耦合逻辑电路 LED 可控硅器件
32/94
人体放电模式 ( HBM )
典型参数数据：
Cp = 50 ~ 250 pF 80% 人口 < 100 pF Rp = 1 ~ 5 K ( 1 ~ 2 常见)
Current
典型 rise time: 10 nsec 典型 decay time : 50 ~ 300 nsec
Time (nsec)
Class M1
< 100 volts
Class M2 100 volts to < 200 volts
Class M3 200 volts to < 400 volts
Class M4
> or = 400 volts
元器件MM敏感度等级划分
24/94
ESD 敏感度的分档
元器件ESD敏感度等级
Class
因此静电序列表并无法十分精确。 • 这些因素包括如表面粗糙度、接触力、电荷回流等。 • 序列表只能够做大略依据使用，不应该用作硬标准。
16/94
典型的静电量
Relative humidity 10% 40% 55%
拆除 PCBA 的非防静电气泡包装 走过毛地毯 工作台上的一般移动 从工作台上拾取塑胶袋
Class 1C 1000 volts to < 2,000 volts
Class 2 2000 volts to < 4,000 volts
Class 3A 4000 volts to < 8000 volts
Class 3B
> = 8000 volts
元器件HBM敏感度等级划分
Class
Voltage Range
Class C6
1,500 volts to < 2,000 volts
Class C7
=>2,000 volts
元器件CDM敏感度等级划分
25/94
ESD 敏感度的分档
HBM 模式在业界中是最常用的, 不过器件还可能在其他如 MM 或 CDM 模式下被破坏，甚至更容易遭受破坏。所以了 解您的供应商的测量模式是关键的。
玻璃 尼龙 Nylon 铅 铝 纸 聚氨脂 镍, 铜, 银 硬橡胶 聚酯 Polyester 聚丙烯 Acrylic 聚氯乙烯 PVC 聚四氟乙烯 TEFLON 硅橡胶
注：表中距离越远者 产生的电量越大
15/94
静电序列表
• 工业界中出现有一定差别的列表。 • 由于许多难以控制的因素，其中有些还未被足够认识到，
41/94
生产线上常见的静电源
• 工作台
36/94
带电器件模式 ( CDM )
Current
CDM放电例子
• 典型 rise / fall time: < 1 nsec • 典型放电电流 > 10 amp
高速度脉冲！
Time ( nsec )
37/94
CDM模式中的双重放电
+++ ++++++
--
-
百度文库
-
+++++
+++ ++++++
--
• 30% 是防静电的下限要求
( 试验观察到“中和电流”在>30%左右出现 )
• 70% 是常用的上限（基于污染冷凝等考虑） ESD控制的推荐40 % ~ 60% R.H.范围 美国军标 MIL-STD-1695 推荐30 % ~ 70% R.H.
湿度不应该作为主要的ESD控制手段 ! 只能作为后备的“安全网” !
33/94
人体放电模式 ( HBM )
1.5 K
100 pF
避免HBM最有效的方法是使用人体接地，减少人体带 电的情况。
34/94
机器放电模式 ( MM )
R<1
• 可理解为最恶劣的HBM情况
• 使用于低输出阻抗情况 ( e.g. automatic handler )
MM 测试电路模式
• 由日本开创制定 • 较好的模拟使用机器的生产
平衡 所以知道器件的敏感度是重要的！
23/94
ESD 敏感度的分档
元器件ESD敏感度等级
Class Class 0 Class 1A Class 1B
Voltage Range < 250 volts
250 volts to < 500 volts 500 volts to < 1,000 volts
1,000 volts !!!
V=Q/C
d
10 votls
d
V
静电压并非固定值！
电容效应只增加静电破坏的风险程度，并没有改变电荷量 ！
11/94
液体的静电
流动生电 （高阻抗液体）
喷射生电 （任何液体）
即使是流体也能产生静电 ！
12/94
气体的静电
• 气体不会生静电 移动气体分子所需要的能量远低于足以产生静电所需的 能量。 • 气体的生电情况是基于气体中的杂物， 经过高度过滤的气体测试显示无静电现 象。
8/94
摩擦和接触生电
• 摩擦过程所产生的热能增加电荷的迁移程度。
• 不同的摩擦试验得出不同的Triboelectric series结论
• “接触生电” 较“摩擦生电”的观念较为正确 !
9/94
电感效应
+
+ +++++ ++
Uncharged Object Charged object
静电的产生有四个途径。。。 1. 接触分离 （最常见的‘摩擦’） 2. 电感应 3. 电容效应 4. 压电效应
6/94
静电的“产生”
‘摩 主要来源： 接触 + 擦或’ + 分离
压力
‘摩擦’生 电
7/94
摩擦和接触生电
• 静电不是由摩擦产生的！ • 摩擦过程增加接触面，接触产生静电。 • 许多物料的表面都不够平整或具备足够的柔性，来达 到接触/分离所需要产生静电的程度。 • 片状物和粘带具备良好的接触条件，所以较容易产生
-
-
1. 电感生电
--
-
-
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--
2. 第一次放电
3. 器件被“充电”
4. 二次放电
CDM的防范主要从以下几方面入手： 避免器件因包装和周转容器材料的原因摩擦产生静电； 避免器件周围有静电源而产生感应带电； 与器件接触的材料使用耗散型材料。
38/94
ESD 激发 EMI
ESD 放电多是电流大时间短，容易激发强烈 EMI …
静电荷的基本单位： 库伦 Coulomb (C)
4/94
静电与电（直流、交流）的区别
现象 放电时间
静电
静止的电荷 瞬间放电（皮秒~微秒）
能量
通常情况下能量很小
人体感觉 不易感觉，通常情况下 2000V以上才能被感觉
直、交流电
流动的电荷 持续放电
能量大
36V以上的电压即可对 人体构成危害
5/94
静电的“产生”
18/94
湿度的考虑
空气中的水气增加空气的导电性，因此减少静电的产生或 累积。。。
• 相对湿度越高越好 ( > 60% ) • 高湿度对于一些考虑 ( 例如腐蚀、污染 ) 不利 • 折中湿度要求 40% ~ 60% • 干燥而带杂质的空气，在高速流动下（如清洁工艺）
也容易产生静电
19/94
什么湿度适合？
情况
35/94
带电器件模式 ( CDM )
• 模拟器件在加工过程中被机器/工具充电，而随后通过 接地放电情况
• 由于充电和放电过程中的电阻一般都很小，CDM模式 的破坏力也一般十分强大
• 自动化经常是造成巨大CDM破坏的主因 • 电感效应也常是造成CDM破坏的成因 • CDM 可能出现双放电情况，增加器件受损坏的风险
39/94
EMI 破坏
• ESD 放电产生的电磁波能够通过电感 效应在近距离的导体中产生电流
• 特别敏感器件如磁头可能被感应的电流 造成损坏
• 干扰电脑程序和数据 • P lockup 和误为软件故障
40/94
第三章：静电对电子生产制造业的影响
• 静电无处不在 • 电子材料对ESD非常敏感 • ESD造成损失严重
第二章：静电放电模型
• 人体放电模式 • 机器放电模式 • 带电器件模式
28/94
静电是否有危害？
电荷如果保持在 “静止”状态下
是安全的！ ESD (ElectroStatic Discharge)则可能具巨大 破坏性 !
29/94
+
+ +
+
+
+++ +
静电放电
+
+ +
+
+
+++ +
静电场造成空 气离子化
带静电物件或人体 接近ESDS
电离的空气
+
+++
+ +
导电放电
30/94
ESD 破坏模式
3种常见的破坏模式：
对器件放电 …
1. 人体模式 Human Body Model ( HBM ) 2. 机器模式 Machine Model ( MM )
从器件放电 …
3. 带电器件模式 Charged Device Model ( CDM )
ESD电压范围（HBMV） 10~100V 30-1800V 100-200V 100-300V 100V 140-7000V 150-500V 190-2500V 250-3000V 300-2500V 300-3000V 380-7000V 500V 500~8000V 680-1000V
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人体可以感觉到 : 很敏感的器件的危险水平 : 多数敏感器件的危险水平 :
300 nC 的放电 0.1 nC 的放电 数十 nC 的放电
100 ~ 3000 倍的差异 !
22/94
ESD 敏感度的分档
分档的目的 :
• 不同的敏感度需要不同的控制做法 • 太多的管制增加成本以及操作困难 • 我们必须在成本、可操作性和效率之间取得
Voltage Range
Class C1
<125 volts
Class C2
125 volts to < 250 volts
Class C3
250 volts to < 500 volts
Class C4
500 volts to < 1,000 volts
Class C5
1,000 volts to < 1,500 volts
静电防护技术
1/94
摘要
• 静电科学基本原理 • 静电放电模型 • 静电对电子生产制造业的影响 • 静电防护原理 • 防静电系统构成
2/94
第一章：静电科学基本原理
• 静电科学 • 静电量 • 静电敏感度的分档
3/94
什么是静电 ？
静电： 静止未流动的电荷。能够长时间停留在某些物 料上。
静电放电： （Electrostatic Discharge）当两个带不同静 电电位的物件相互接近到某程度或接触时 ，静电从一个物件突然流放到另一物件上 的现象。 引申后也有静电敏感和防静电的意思 ，如说一个器件是不是ESD的，一种材料 是不是ESD的。
26KV 20KV 7KV 35KV 15KV 7.5KV 6KV 800V 400V 20KV 3KV 1.2KV
一切活动都可能产生静电！ 即使在高达 90% 湿度下，大量的静电还是可能产生 !
17/94
静电量和产生速度
接触距离，接触面积，表面粗糙度，接触压力，和物料 硬度等都是相互关联的因素 。。。
+++++++++
--------
++ ++
++ +++
+++++++++
- --- ---------
+++++++++ --------
++
++ +
++
绝缘体不能够被电感生电 !
10/94
电容效应
C = o r A / d
o = 8.85 X 10 -12 F/m r = 材料的相对介电常数
• 如果需要防静电，使用良好过滤的气体 或电离气体
13/94
静电量
决定静电量的主要因素：
• 材料（包括材料的相对性） • 接触面积和表面粗糙情况 • 接触力 • 分离速度 • 环境湿度
在干燥和快速移动活动中使用不当的材料容易产生高静电和 增加静电破坏风险！
14/94
静电序列表（例子）
带正电 + 带负电 -
20/94
静电和人体感觉
和电子器件相比之下，我们敏感性极差…
感觉到 : 听到 : 见到 :
> 2000 ~ 4000 volts > 4000 ~ 5000 volts > 5000 volts
< 100 votls 的 静电放电就足 以损坏某些电 子器件 ！
21/94
静电和人体感觉
以电荷量来看 ...
… 不同的模式需要不同的对策 !
31/94
人体放电模式 ( HBM )
• 模式电路模拟带电人体对器件放电的情况 • 70和80年代的主要破坏模式，在今天仍有重
要地位 • 随着人体接地应用、器件保护设计、以及自
动化的普及，相对重要性在衰减中 • 在维修保养作业中容易被忽略（尤其是在
Field service方面）
• 模式化对比较和沟通工作十分重要 • 即使在相同的模式中，测量结果还可能
有一定的差异会出现
26/94
部分元器件的静电敏感度
器件种类 硬盘磁头 V MOS半导体器件 MOS 场效应管器件 砷化镓场效应管器件 存储器 结型场效应晶体管 声波表面滤波器 运算放大器 C MOS 肖特基二极管 薄膜电阻 双极型晶体管 射级耦合逻辑电路 LED 可控硅器件
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人体放电模式 ( HBM )
典型参数数据：
Cp = 50 ~ 250 pF 80% 人口 < 100 pF Rp = 1 ~ 5 K ( 1 ~ 2 常见)
Current
典型 rise time: 10 nsec 典型 decay time : 50 ~ 300 nsec
Time (nsec)
Class M1
< 100 volts
Class M2 100 volts to < 200 volts
Class M3 200 volts to < 400 volts
Class M4
> or = 400 volts
元器件MM敏感度等级划分
24/94
ESD 敏感度的分档
元器件ESD敏感度等级
Class
因此静电序列表并无法十分精确。 • 这些因素包括如表面粗糙度、接触力、电荷回流等。 • 序列表只能够做大略依据使用，不应该用作硬标准。
16/94
典型的静电量
Relative humidity 10% 40% 55%
拆除 PCBA 的非防静电气泡包装 走过毛地毯 工作台上的一般移动 从工作台上拾取塑胶袋
Class 1C 1000 volts to < 2,000 volts
Class 2 2000 volts to < 4,000 volts
Class 3A 4000 volts to < 8000 volts
Class 3B
> = 8000 volts
元器件HBM敏感度等级划分
Class
Voltage Range
Class C6
1,500 volts to < 2,000 volts
Class C7
=>2,000 volts
元器件CDM敏感度等级划分
25/94
ESD 敏感度的分档
HBM 模式在业界中是最常用的, 不过器件还可能在其他如 MM 或 CDM 模式下被破坏，甚至更容易遭受破坏。所以了 解您的供应商的测量模式是关键的。
玻璃 尼龙 Nylon 铅 铝 纸 聚氨脂 镍, 铜, 银 硬橡胶 聚酯 Polyester 聚丙烯 Acrylic 聚氯乙烯 PVC 聚四氟乙烯 TEFLON 硅橡胶
注：表中距离越远者 产生的电量越大
15/94
静电序列表
• 工业界中出现有一定差别的列表。 • 由于许多难以控制的因素，其中有些还未被足够认识到，
41/94
生产线上常见的静电源
• 工作台
36/94
带电器件模式 ( CDM )
Current
CDM放电例子
• 典型 rise / fall time: < 1 nsec • 典型放电电流 > 10 amp
高速度脉冲！
Time ( nsec )
37/94
CDM模式中的双重放电
+++ ++++++
--
-
百度文库
-
+++++
+++ ++++++
--
• 30% 是防静电的下限要求
( 试验观察到“中和电流”在>30%左右出现 )
• 70% 是常用的上限（基于污染冷凝等考虑） ESD控制的推荐40 % ~ 60% R.H.范围 美国军标 MIL-STD-1695 推荐30 % ~ 70% R.H.
湿度不应该作为主要的ESD控制手段 ! 只能作为后备的“安全网” !
33/94
人体放电模式 ( HBM )
1.5 K
100 pF
避免HBM最有效的方法是使用人体接地，减少人体带 电的情况。
34/94
机器放电模式 ( MM )
R<1
• 可理解为最恶劣的HBM情况
• 使用于低输出阻抗情况 ( e.g. automatic handler )
MM 测试电路模式
• 由日本开创制定 • 较好的模拟使用机器的生产
平衡 所以知道器件的敏感度是重要的！
23/94
ESD 敏感度的分档
元器件ESD敏感度等级
Class Class 0 Class 1A Class 1B
Voltage Range < 250 volts
250 volts to < 500 volts 500 volts to < 1,000 volts
1,000 volts !!!
V=Q/C
d
10 votls
d
V
静电压并非固定值！
电容效应只增加静电破坏的风险程度，并没有改变电荷量 ！
11/94
液体的静电
流动生电 （高阻抗液体）
喷射生电 （任何液体）
即使是流体也能产生静电 ！
12/94
气体的静电
• 气体不会生静电 移动气体分子所需要的能量远低于足以产生静电所需的 能量。 • 气体的生电情况是基于气体中的杂物， 经过高度过滤的气体测试显示无静电现 象。