ESD静电防护知识培训教材

ESD静电防护知识培训教材 一 生活中的静电常识 静电是一种生产和生活中常见的现象,静电常给我们的生产和生活带来很多麻烦．有时,它使人遭到电击;有时,它严重影响正常工作;更有甚者,它可能引起火灾和爆炸事故． 在干燥和多风的秋天，在日常生活中，我们常常会碰到这种现象：晚上脱衣服睡觉时，黑暗中常听到噼啪的声响，而且伴有蓝光，见面握手时，手指刚一接触到对方，会突然感到指尖针刺般刺痛，令人大惊失色；早上起来梳头时，头发会经常“飘”起来，越理越乱，拉门把手、开水龙头时都会“触电”，时常发出“啪、啪”的声响，这就是发生在人体的静电，上述的几种现象就是体内静电对外“放电”的结果。 人体活动时，皮肤与衣服之间以及衣服与衣服之间互相摩擦，便会产生静电。随着家用电器增多以及冬天人们多穿化纤衣服，家用电器所产生的静电荷会被人体吸收并积存起来，加之居室内墙壁和地板多属绝缘体，空气干燥，因此更容易受到静电干扰。 由于老年人的皮肤相对比年轻人干燥以及老年人心血管系统的老化、抗干扰能力减弱等因素，因此老年人更容易受静电的影响。心血管系统本就有病变的老年人，静电更会使病情加重。过高的静电还常常使人焦躁不安、头痛、胸闷、呼吸困难、咳嗽。 为了防止静电的发生，室内要保持一定的湿度，室内要勤拖地、勤洒些水，或用加湿器加湿；要勤洗澡、勤换衣服，以消除人体表面积聚的静电荷。发现头发无法梳理时，将梳子浸入水中片刻，等静电消除之后，便可以将头发梳理服帖了。脱衣服之后，用手轻轻摸一下墙壁，摸门把手或水龙头之前也要用手摸一下墙，将体内静电“放”出去，这样静电就不会伤你了。对于老年人，应选择柔软、光滑的棉纺织或丝织内衣、内裤，尽量不穿化纤类衣物，以使静电的危害减少到最低限度。 二 对静电知识的初步了解 在本世纪70前代以前，很多静电问题都是由于人们没有ESD意识而造成的，即使到现在也有很多人怀疑ESD会对电子产品造成损坏。这是因为大多数ＥＳＤ损害发生在人的感觉以下,因为人体对静电放电的感知电压约为3ＫＶ，请参见下表： 人体电位 (伏) 电击程度 1000 完全无感觉 （发出微弱的放电声） 2000 手指外侧有感觉但不疼 3000 有被针刺的感觉微疼 4000 有被针深刺的感觉手指微疼（见到放电的微光） 5000 从手掌到前腕感到疼（指尖延伸出微光） 6000 手指感到剧疼后腕感到沉重 7000 手指和手掌感到剧疼稍有麻木感觉 8000 从手掌到前腕有麻木的感觉 9000 手腕子感到剧疼手感到麻木沉重 10000 整个手感到疼有电流过的感觉 11000 手指剧麻整个手感到被强烈电击 12000 整个手感到被强烈地打击 8—10mA 手摆脱电极已感到困难,有剧痛感(手指关节)。 20—25mA 手迅速麻痹,不能自动摆脱电极（国际通常认为电流在50MA以下安全）。 50—80mA 呼吸困难,心房开始震颤。 90—100mA 呼吸麻痹,三秒钟后心脏开始麻痹,停止跳动. 然而随着大规模超大规模集成电路的问世，许多电子元件在几百伏甚至几十伏时就会损坏，通常电子器件被ＥＳＤ损坏后没有明显的界限，把元件安装在PCB上再检测，结果出现很多问题，分析也相当困难。特别是在出现一些潜在损坏时，即便使用精密仪器也很难测量出其性能有明显的变化。但近年实验证实，这种潜在损坏在一定时间以后，电子产品的可靠性会明显下降。这种失效是由于静电放电( ElectroStatic Discharge简称 ESD)造成的，无论是静电电场还是静电电流都可能给器件造成致命的危害或潜在的损伤。对电子产品来说具有很大的危害性，静电产生后会在周围形成静电场，会产生力学效应，放电效应及静电 感应效应等几种效应，人体携带静电也会对其它物体放电，在这几种效应中，静电的放电效应造成的危害最为严重，此种放电导致元器件的击穿破坏或对系统造成破坏无法正常运行一般简称为 ESD损害，ESD对元器件的损害后果导致硬击穿或软击穿。 硬击穿：是一次性造成元器件介质击穿、烧毁或永久性失效，使集成电路彻底损坏，永久性失效，当静电放电能量达到一定值时，足以引起封装集成电路块的爆炸，使其芯片完全烧毁裸露，造成人身伤害，设备故障耗费增加。硬击穿特征明显一般来说可以在器件组装件或插件板出厂交货之前检查出来。 软击穿 (软失效) ：是造成器件的性能劣化或参数指标下降，但还没有完全损坏而形成隐患，在最后质量检验中很难被发现，在使用时静电造成的电路潜在损伤，会使其参数变化，品质劣化，寿命降低，使设备运行一段时间后，随温度，时间，电压的变化出现各种故障不能正常工作即为软失效。 如果受损的芯片属于一些重要的控制系统，如网络中心控制系统，自动播出控制系统，生产调度控制中心，电子作战指挥系统，自动导航系统，火箭发射控制系统等其造成的危害有时是难以预料的，这潜在的损伤实际上具有更大危害，造成的直接和间接损失更为严重 软击穿不易察觉具有潜在隐蔽的特点危害更大，另外静电感应和静电放电时产生的电磁脉冲也有一定危害，静电放电一般产生频带为几百 KHz ~ 几十MHz，电平高达几十毫伏的电磁脉冲干扰可使静电敏感器件( Static Sensitive Device简称 SSD) 破坏。 在静电危害的几种类型中，ESD损害尤为突出，其突出特点是随机性和不易察觉性 。人没有感觉到放电就已造成了静电损伤.不易被检测出来，有关资料证明 ESD引起的器件损伤 90%为潜在性的软击穿损伤，10%为立即失效的损伤类型。静电对SSD 的危害，由于集成电路的集成度越来越高，体积缩小，光刻线条变细，线间距离窄，以及采用大量新型材料(其抗静电性很低)至使其抗静电性下降，较低电位差就能将其击穿破坏，有人认为加有 ESD保护电路的集成电路板不怕静电破坏，实际上尽管加有保护电路确实能够起到一定的保护作用，当在人体或工作环境中带有上千伏静电时，虽然敏感器件内有保护电路也是无法承受的，仍然受到很大程度的破坏。 所有的集成电路均对静电敏感，其不同之处只在于所能承受的阀电压值不同而已，人体有感的静电放电在2500伏以上，因此减少静电到人无感觉的程度，并没有消除电子设备受静电损坏的危害，当人感觉到静电放电时可能已经对造成 SSD损伤了，所以对静电的防护主要应致力于防患于未然，进行综合防护。 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元件的影响： 静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻（缩短寿命）。 静电放电破坏，使元件受损不能工作(完全破坏)。 静电放电电场或电流产生的热，使元件受伤（潜在损伤）。 静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米）频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产器造成干扰甚至损坏（电磁干扰）。 如果元件全部破坏，必能在生产及品管中被察觉而排除，影响较小，如果元件轻微受损，在正常测试下不易发现，在这种情形下，常会因经过多层之加工，甚至已在使用时，才发现破坏，不但检查不易，而且其损失亦难以预测。要耗费多少人力及财力才能清查出所有问题，而且如果在使用时才察觉故障，其损失将可能巨大。 静电具有的特性： 1 隐蔽性 人体不能直接感知静电除非发生静电放电,但是发生静电放电人体也不一定能有电击的感觉,这是因为人体感知的静电放电电压为2－3 KV,所以静电具有隐蔽性。 2 潜在性 有些电子元器件受到静电损伤后的性能没有明显的下降，但多次累加放电会给器件造成内伤而形成隐患。因此静电对器件的损伤具有潜在性。 3 随机性 电子元件甚么情况下会遭受静电破坏呢?可以这么说，从一个元件产生以后，一直到它损坏以前，所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随意性，其损坏也具有随意性。 4 复杂性 静电放电损伤的失效分析工作，因电子产品的精、细、微小的结构特点而费时、费事、费钱，要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器。即使如此，有些静电损伤现象也难以与其他原因造成的损伤加以区别，使人误把静电损伤失效当作其他失效。这在对静电放电损害未充分认识之前，常常归因于早期失效或情况不明的失效，从而不自觉地掩盖了失效的真正原因。所以静电对电子器件损伤的分析具有复杂性。 静电对工业危害主要表现在以下几个方面： 1 引发燃爆事故 据测量一个普通男子站在绝缘地板上，脱化纤毛衣时，人体静电电位可达 8200伏起电量为 0.95微库积累的静电能量为 3.9毫焦，这个能量比汽油的最小静电点火能 0.21毫焦，黑火药的最小静电点火能0.19毫焦，都大许多倍，如果发生静电放电火花就有引起燃烧爆炸的危险。 2 损伤电子元器件破坏系统正常工作 在世界已进入电子计算机时代的今天，静电更是电子工业乃至各类电子电器用户的一大隐患，某些大规模集成电路中的防氧化膜只有十万分之几厘米厚，IC电路会在数百伏电压下被击穿，M0SFET甚至受到十几伏电压作用就会被毁掉，如遇人体静电或其他微弱的静电放电，它们就会像雷电击中一幢大建筑物使之轰然倒塌一样遭到毁坏，因而以大规模集成电路为基础的工业产品，如电脑工业自动化控制器等等，都要防止静电造成的危害，据报道在静电危害没有得到有效防治之前，美国电子工业部门由于静电原因使 IC电路遭到破坏和损伤而造成的损失每年高达数亿美元，此外电子计算机微处理器等会因静电放电，而失去记忆或工作中断，使已有的信息丢失破坏系统正常工作。 3 影响产品质量 在电子元器件制造，电影胶片印制过程中，静电放电会使其发生意外故障或疵病而达不到质量标准。 4 影响正常生产 在纺织印刷胶片造纸等工业生产中，纤维纸张胶片等会因静电而粘连一起给生产带来麻烦。 5 对人体造成电击不适感甚至引发次生事故 人员长期在静电环境中会引发各种疾病；人体静电放电会使人有电震，电麻感觉，若此人此时处在高位或接触危险品就可能引发次生事故。 静电主要由不同物质相互摩擦而产生而且广泛存在于自然界、工业生产和人们的日常生活中，在电子工业中,电子产品设计的小型化和高集成化，相应的加工技术日趋微、细、精、薄，使得对静电危害不可忽视,在电子厂房生产过程中，静电所造成的危害是多方面的。 三 静电防护知识 从前面的分析可知静电是由于物体接触分离，甚至没有接触的感应等方式产生的，就连我们周围的空气也是由原子组成的，当这些空气流动时也会产生静电，可以说：在任何时间、任何地点都可能产生静电。要完全消除静电几乎不可能的，但可以采取一些措施控制静电在不危害的程度之内，其产生的基本过程可归纳为：接触→电荷→转移→偶电层形成→电荷分离.设备或人体上的静电最高可达数万伏为至数十万伏,要正常操作条件下也常达数百至数千伏,人体由于自身的动作及与其它物体的接触—分离、磨擦或感应等因素,可以带上几千伏甚至上万伏的静电.静电是正、负电荷在局部范围内失去平衡的结果.它是一种电能,留存在物体表面,具有高电位、低电量、和作用时间短的特点. 静电控制的主要措施有：静电的泄漏和耗散、静电中和、静电屏蔽与接地、增湿等. 静电放电引起的元件击穿损害是电子工业最普遍、最严重的静电危害,静电敏感元件和印制电路板在生产过程中工序间的传递和储放,必须使用防静电上料箱、元件盒、周转箱、周转托盘等.以防止静电积累造成的危害.作为成品进行包装时必须采用防静电屏蔽袋、包装袋、包装盒、筐等,避免运输过程中的静电损害. 电子产品在生产过程中,其元器件,组件，成品，经常与设备工具等发生接触、分离、磨擦而产生静电,必须使用防静电坐垫、周转小车、维修包、工具、工作椅等,并通过适当的接地,使静电迅速泄放. 磨擦起电和人体静电是电子、微电子工业中的两大危害源,但产生静电并非危害所在,危害在于静电积累及由此产生的静电电荷放电,带电的物体,在其周围形成静电场,会产生力学效应,放电效应和静电感应效应,因此必须加以控制.