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跟着微电子工业制造技术的飞速发展,集成电路的集成度不停提升,采纳

~

制造工艺的
CMOS和GaAs(***化镓)器件被广泛使用,其耐击穿电压下限平常只有

50V~100V。有着更高集成度的超高
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速、高频

IC

器件,采纳了特别的制造工艺,如薄膜技术、浅

PN结、GaAs资料、细小封装等,其对

ESD、
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电浪涌、机械应力、热应力等更为敏感,有的VMOS器件耐压只有30V。这就给含有上述静电敏感器件产
品的生产制造过程提出了更严格的静电防范要求。
A、静电现象
一、何为静电?
静电就是物体表面节余或不足的相对静止电荷,它是电能的一种表现形式。静电是正负电荷在
局部范围内失掉均衡的结果,是经过电子转移而形成的。这些不均衡的电荷,就产生了一个可以衡量其
大小的电场,称为静电场,它能影响必定距离内的其他物体,使之感觉带电,影响距离之远近与其电量
的多少有关。
二、静电放电(ESD)现象
静电放电(ESD),就是拥有不一样静电势的实体之间发生电荷转移。比方:
1、雷电。
2、小实验:有机玻璃用丝绸或棉布摩擦后产生静电,能吸住小纸屑。
3、在空气较干燥的冬季,脱下合成纤维衣服时发出劈啪声,夜间可见火花(空气击穿场强为
30KV/cm)。
4、穿化纤内衣简单皮肤过敏是怎么回事?换棉质内衣试一试!
三、静电的可利用之处与危害
可利用之处:力学效应——异性相吸,同性相斥
静电吸附特征已被广泛用于静电成像、复印、喷涂、植绒、除尘等实践中。
静电的危害:
就电子工业而言,静电放电可以改变半导体器件的电气特征,使之退化也许完好毁掉。静电放电还可能搅乱电子系统的正常运转,以致器件故障或瘫痪。
1、第一艘阿波罗载人宇宙飞船,因为静电放电(ESD)以致火灾和爆炸,三名宇航名所有丧生。
2、日本IC生产中的不合格器件有45%是由静电造成的。
3、88年美国因ESD影响损失50亿美元。
4、90年代初北京某公司试生产的高档数字万用表,因为IC没注意防静电,使其产品大部分不
合格。
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5、华为公司:①今年3月份某批含E-5射频放大器的GSM单板无效率达
15%,无效形式表现为
功能完好丧失,解析表示是受有时的电浪涌烧伤,
如漏电、ESD所致。②也是3月份,某批CC08ASL
用户板上二极管
RD5和RD6不良率达
90%,经解析确立为静电伤害。
6、工业领域的有关专家曾作过预计,因为静电所造成的均匀产品损失大体在
8~33%之间,见下
表:静电均匀损失报告
描述
最小损失
最大损失
预计均匀损失
制造商
4%
97%
16-22%
分包商
3%
70%
9-15%
承包商
2%
35%
8-14%
用户
5%
70%
27-33%
数据本源:StephenHalperin《GuidelinesforStaticControlManagement》,Eurostat,1990
四、静电的特色
高电位:可达数万至数十万伏,操作经常达数百和数千伏()
低电量:静电流多为微安级(尖端放电例外)
作用时间短:微秒级
受环境影响大:特别是湿度,湿度上升则静电积累减少,静电压降落,以下表:
产生方式
10-25%RH
65-90%RH
在地毯上行走
35000V
1500V
在乙烯瓦上行走
12000V
250V
坐在椅子上的工人
6000V
100V
从椅子上拿起涤纶包
20000V
1200V
带有聚氨酯泡沫的椅子
18000V
1500V
五、静电的胸襟
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1、静电荷单位:库仑(C)。平常我们讲到静电势,则以“伏特(V)”为单位。
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2、面电荷密度:
=Q/S(σ单位:C/m2)
式中:Q—电量,S—表面积
3、库仑定律:
Q=CV
式中:Q—电量,C—电容,V—电压
六、从静电学来划分资料的导电状况
静电导体:≤10
5
Wcm(体电阻)例:金属
静电亚导体:10
6
~10
10Wcm防静电器械
静电绝缘体:≥1011Wcm一般塑料
注意:因为静电的特色(电位高,电量小),所以它与一般电工学中导体和绝缘体划分有所不一样。
B、静电产生的物理过程
一、静电起电原理
造成不均衡电子分布的原由是电子遇到外力而离开轨道,这个外力包含各种能源,如动能、位能
(势能)、热能、化学能等等,它使电子获取足够能量而做功逃逸。
二、静电的产生方式
摩擦、接触(传导)、分别、感觉、冲流、辐射、压电、温差、电解等
固体、液体、粉末流体都可能产生静电
三、摩擦静电序列
+(正极):空气→人手→石棉→兔毛→玻璃→云母→人发→尼龙→羊毛→铅→丝绸→铝→纸→棉花→钢
铁→木→琥珀→蜡→硬橡胶→镍、铜→黄铜、银→金、铂→硫黄→人造丝→聚酯→赛璐珞→奥轮→聚氨酯
→聚乙稀→聚丙稀→聚***乙稀(PVC)→二氧化硅→聚四***乙稀:-(负极)
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上述任意两种介质摩擦后前者带正电,后者带负电,且相距较远的两种介质平常比相距较近的两
种介质所产生的摩擦电量大。但也不是绝对的,与资料表面洁净程度、环境条件、接触压力、光洁程度、
表面大小、分别速度等有关。
四、固体起电
除摩擦起电以外,其他表现形式:
1、断裂带电:资料因机械破裂使带电粒子分别,使双侧带等量、异性电荷。
2、压电效应:,如:电光鞋、煤气打火器
3、热电效应:压电晶体加热时,一端带正电,一端带负电;冷却时,反极性
4、剥离起电:互相亲近结合的物体剥离时,会引起电荷分别,引起分别物体两方带电,如:叠在一起的塑
料袋分别时。
5、感觉起电:静电场范围内的物领悟因感觉而带电。
6、辐射起电:射线冲击使部分电子获取能量而摆脱原子引力约束,如:视保屏
五、粉末流体起电
粉体与器壁、粉体与粉体碰撞,接触分别、摩擦、碎裂而引起的静电颗粒越小,互相作用越激烈,
碰撞面积越大,起电越激烈。
弹药库、纺织厂、面粉厂均须严格控制空气中的粉尘浓度。
六、液体起电
1、液体的偶电层
液相与固相界面亦能形成偶电层:液体(如石油)中的可电离杂质和其他离子被吸引到金属壁上。
正负离子对金属不行能拥有同样的亲和力,亲和力大的就被金属表面所吸引并吸附着,而液体中电荷量相
等的异性离子留在液相内,并齐聚在界面周边。在界面处形成偶电层,内层是紧贴在固体表面上的离子称固定层,而外层离子是可动的称活动层或扩散层。
2、流体带电
当液体流动时,流动层的带电粒子随液体流动形成流动电流,异性带电粒子留在管道中,如管道接地则流入大地,流动的电荷形成电流。稳态时,带电粒子不停被流动液体所带走,固定层电荷经接地管道而被中和,此现象有点像电解。不一样的亲和力,扩散与液体流动的综合作用代替了电解中的电场作用。
影响电量大小与极性的因素有:1、液体种类及特征;2、管道资料及表面圆滑度;3、流速、温度、含水量和空气、混淆物及杂质微粒。
七、人体静电
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人体是最主要的静电源之一
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人体的活动使部分机械能变换为电能,每日耗热量:×107J=10KWh,瞬时放电功率达90KW。
人体对地电阻主要由鞋、袜、地面决定
人体等效电容:100PF(电容有充放电效应)
人体等效电阻:1KW(~)
安全静电电压:100V(国标SJ/T10630-95)。华为公司《静电放电控制规范》()
已采纳此标准。
C、静电伤害
一、静电伤害的两种无效形式
:又称“突发性完好无效”、“一次性损坏”,约占10%
表现为器件电参数忽然劣化,失掉原有功能。主要原由是静电放电造成过压使得介质被击穿,或过流使得内部电路金属导线熔断、硅片局部消融等。
硬伤害可经过老例的性能测试手段及时发现,相对软无效而言危害要小得多。
:又称“潜伏性缓慢无效”、“多次伤害积累后无效”,约占
90%
遇到软伤害的器件,固然当时各种电参数仍合格,可是其使用寿命却大大缩短了。含有这些器件的产品或
系统,靠谱性变差,可能会在后续过程中(直至最后用户)连续遇到ESD软伤害或其他过应力伤害积累而过早地无效。
因为软伤害是潜伏的,运用目前的技术还很难证明或检测出来,特别是器件被装入整机产品以后,所以拥有更大的危害性。这些产品流入市场后的保护成本和造成的其他损失,将比在生产中发生的直接损失要放大几十甚至上百倍!
ESD伤害二极管之金相图
二、基本的ESD事件
对器件直接的静电放电<=>HBM、MM
器件自己发生静电放电<=>CDM
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三、ESD事件模型
人体模型(HBM)静电伤害最广泛的原由之一是经过从人体或带电材想到静电放电敏感(ESDS)器件之间的一系列有效电阻(1~)发生静电电荷的直接转移。当人走过楼面时,静电电荷就在人体上积累。手指与ESDS器件或组件表面的简单接触即可令人体放电,可能造成器件损坏。用以模拟这种事件的模型就叫人体模型(HBM),其等效电路以以下图。
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E—高压直流电源

(0~5kV)
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Rb

—人体等效电阻

(±1%)
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Cb—人体等效电容(100PF±10%)
Rs—充电限流电阻(1~10MΩ)
DUT—被试器件
K1—高压继电器
机器模型(MM)与HBM事件近似的放电还可发自导电物体,比方金属做的工具或设施。机器模型
源自日本,是试图建立一个最恶劣的HBM事件的结果。这个ESD模型包含一个200pF的电容,它
向未串通阻抗的一个元件直接放电。与最恶劣的人体模型对比,机器模型也许过于严格。可是,
现实世界的确有该模型所代表的状况存在。比方,来自充电板组件或自动测试器电缆的迅速放电。
带电器件模型(CDM)来自ESDS器件的电荷转移也是ESD事件。比方,一个器件可能在顺着送料器滑入自动装置机时被充电。假如它随后接触到插头或其他导电表面,从该器件到金属物体的快
速放电即可能发生。这个事件就是带电器件模型(CDM)事件,对某些器件而言可能比HBM更具破
坏性。尽管放电连续时间特别短暂(平常小于1纳秒),但电流峰值可达几十安培,甚至数百安
培。
四、器件敏感度的分级
ESD事件以致的敏感器件受损程度,主要取决于器件耗散放电能量或承受电压的能力,即静电敏
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感度。任一种测试方法均包含一个分级系统,定义器件对应指定模型的敏感度(详见表1,表2和表这些分级系统有很大的利用价值,它使得我们可以依据器件的ESD敏感度来进行方便的分组和比较,并确立器件所需的ESD防范级别。

3)。
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表1ESDS器件敏感度分级——人体模型HBM(-1998)
等级电压范围
0级<250V
1A级250V~500V(不含500V)
1B级500V~1000V(不含1000V)
1C级1000V~2000V(不含2000V)
2级2000V~4000V(不含4000V)
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3A级4000V~8000V(不含8000V)
3B级≥8000V
表2ESDS器件敏感度分级——机器模型MM(ANSI/ESD--1994)
等级电压范围
M0级<25V
M1级25V~100V(不含100V)
M2级100V~200V(不含200V)
M3级200V~400V(不含400V)
M4级400V~800V(不含800V)
M5级≥800V
表3ESDS器件敏感度分级——带电器件模型CDM(EOS/ESD--1993)
等级电压范围
C0级〈125V
C1级125V~250V(不含250V)
C2级250V~500V(不含500V)
C3级500V~1000V(不含1000V)
C4级1000V~2000V(不含2000V)
C5级≥2000V
严格来讲,一个特色描述完好的器件应当同时采纳人体模型、机器模型和带电器件模型这三种模
型来分级。比方,特色描述完好的某器件可能含有以下内容:1B级(500V~1000VHBM),M1级(25V~100V
MM)和C3级(500V~1000VCDM)。这在警示该器件的潜伏用户它需要一个受控的环境,无论是经过人还是
机器来完成装置和制造操作。
我们平常依照人体模型按以下标准来划分器件的静电敏感度:
I级0~1999V
II级2000~3999V
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III级4000~15999V
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非静电敏感≥16000V
五、一些电子器件的静电敏感度
器件种类
静电敏感度(V)
MOSFET
100~200
JFET
140~1000
GaAsFET
100~300
CMOS、EPROM
250~2000
HMOS
50~500
E/DMOS
200~1000
VMOS
30~1800
PROM
100
ECL电路
300~2500
SCL(可控硅)
680~1000
S-TTL
300~2500
DTL
380~7000
石英及压电晶体
<10000
由上表可以看出,各器件静电敏感度的范围尽管较大,但其下限一般都只有数十伏至数百伏,低
于电子工业生产中操作者、工作台面、工具所带的静电压,因此有可能发生ESD伤害。装有静电敏感器件的单板也易受静电伤害,电路设计、布板、加工均需注意。
六、伤害实例:
1、MotorolaMOS大规模集成电路--CPU,老化11周。开始未采纳导电盒搁置,拒收率为
40×10-n,
但从周围后用镀镍盒搁置,则降为
15×10-n,此实验追踪7个多礼拜,均匀为18×10-n
。
2、国内某厂生产CMOS电路挑选入库后,抽检发现有5%无效率,无效率模式为输入漏电流增大。经解析与
ESD有关,该厂生产的CMOS电路在测试前后都搁置在一般塑料盒内,塑料上的静电荷传达给CMOS电路。
在测试过程中,当器件接触人体或桌面上的接地金属时就会引起放电,以致ESD伤害而无效,此后采纳一
系列ESD措施、改为防静电盒,现象消逝。
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D、静电防范的基本方法
一、ESD控制的基本源则
做好ESD防范设计:器件选型、合理布线、设计保护电路等
除掉和减少静电的产生:减少或除掉静电产生的过程、保持过程和资料处于等电势等
使静电荷泻放与中和:使用静电导体、接地、电离器来泻放与中和静电
保护产品免遭ESD伤害:使用防静电资料包装和储运
二、防静电区设计原则
克制静电荷的积累和静电压的产生。如设施、仪器、工装不使用塑料、有机玻璃、一般塑料袋。
安全、迅速、有效地除掉已产生的静电荷,使用有绳防静电腕带、防静电椅、防静电周转车、防静电周转箱。
保证静电压小于100V。
三、防静电系统因素
1、地面
防静电地面(防静电水磨石,防静电地板)体电阻105~109Ω,敷设地线网。
2、工位
3、接地
a、防静电工作区一定有安全靠谱的防静电接地装置,地电阻小于4Ω。防静电地线不得与电源
零线相接,不得与防雷地线共用,使用三相五线制供电时,其地线可以作防静电地线。
b、工作台面、地垫、坐椅和其他导静电的ESD保护设施均应经过限流电阻接入地线,腕带等应通
过工作台顶面接地点与地线连结,工作台不行互相串通接地。
c、防静电工作区接地系统,包含限流电阻和连结端子应连结靠谱并拥有必定载流能力,限流电阻
阻值选择应保证漏漏电流不超出5mA,下限值取为1MΩ。
4、温湿度
20~30℃,相对湿度30~70%。
5、增湿
增湿器使空气湿润,防范静电荷积累,此法不适于增湿后会产生有害影响的场所。
6、电离器
不可以有效地泄放静电荷的场合,可采纳电离器经过空气中的正负离子来防范和中和元器件和其他
物体上电荷积累,电离能力大于250V/s。
7、人体
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穿防静电工作服、工作鞋,戴有绳防静电腕带、手套、指套等。
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(为何我们要严禁使用无绳防静电腕带?)
8、包装
静电敏感器件应采纳防静电保护性包装,如防静电袋、防静电盒等。
9、储存、运输
静电敏感器件一定存放在防静电容器(箱、袋)内,并用防静电运输工具(箱、车)周转。贮运中要远离静电场、电磁场或放射场,如电脑显示器顶部。
四、防静电操作规程
(略)
五、ESD表记
警示符号
(1)(2)(3)
-1993:(1)静电敏感;(2)静电防范
EIA:(1)
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中国电子行业标准《电子设施制造防静电技术要求》

SJ/T:(1)

,(3)
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一些制造商用“闪电”符号来表示ESD敏感,但因为这个符号简单与电气安全符号混淆,故不提
倡在防静电领域使用。近似地,常用于表示ESD防范的带三个指入箭头的圆环,因为它通指电磁、
电磁辐射或静电场,也不倡议在防静电领域使用。
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"DoNotOpenExceptata
Static-safeWorktstaion."
(interior(unit)packsand
containersforstorageorin-planttransfer)
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