防靜電原理及工藝紀律要求

2023年2月6日第一部分：防靜電基礎知識引言

隨著電子元器件技術的發展，靜電對元器件應用造成的危害越來越明顯。元器件的尺寸越來越小，尤其是微電子器件。新型特種器件多數也都是靜電敏感元器件。作為靜電主要來源的各種高分子材料被廣泛采用。1.1

靜電和靜電放電的定義和特點

什么是靜電(Electrostatic，staticelectricity)？通俗地來說，靜電就是靜止不動的電荷。它一般存在于物體的表面。是正負電荷在局部范圍內失去平衡的結果。靜電是通過電子或離子轉移而形成的。靜電可由物質的接觸和分離、靜電感應、介質極化和帶電微粒的附著等物理過程而產生。1.1

靜電和靜電放電的定義和特點

那什么是靜電放電（ElectrostaticDischarge，ESD）呢？處于不同靜電電位的兩個物體間的靜電電荷的轉移就是靜電放電。這種轉移的方式有多種，如接觸放電、空氣放電。一般來說，靜電只有在發生靜電放電時，才會對元器件造成傷害和損傷。如人體帶電時只有接觸金屬物體、或與他人握手時才會有電擊的感覺。1.1

靜電和靜電放電的定義和特點

靜電放電現象雖然是過電應力一種，但與通常所說的過電應力相比有其自身的特點：首先，電壓較高；其次，持續時間短；第三，釋放的能量較低。1.2靜電的產生如果兩種不同材料的物件因直接接觸或靜電感應而導致相互間電荷的轉移，使之存在過剩電荷，這樣就產生了靜電。帶有靜電電荷的物體之間或者它們與地之間有一定的電勢差，稱之為靜電勢。靜電產生的方式有很多，如接觸、摩擦、沖流、冷凍、電解、壓電、溫差等。主要是兩種形式，即摩擦產生靜電和感應產生靜電。1.2.1摩擦產生靜電只要兩種不同的物體接觸再分離就會有靜電產生。摩擦生電主要發生在絕緣體之間。摩擦產生靜電的大小主要與摩擦物體本身的材料性質有關；此外也受到許多因素的影響，如環境的濕度、摩擦的面積、分離速度、接觸壓力、表面潔凈度等。1.2.2感應產生靜電當一個導體靠近帶電體時，會受到該帶電體形成的靜電場的作用，在靠近帶電體的導體表面感應出異種電荷．顯然，非導體不能通過感應產生靜電。1.2.4靜電勢帶有靜電電荷的物體之間或者它們與地之間有一定的電勢差，稱之為靜電勢，也叫靜電電壓。實際環境中產生的靜電電壓通常是指帶電體與大地之間的電位差。靜電壓可表示為

V＝(Q×d)/(A×ε)(1.3)1.2.5影響靜電產生和大小的因素靜電的產生及其大小與環境濕度和空氣中的離子濃度有密切的關系。與普通場所相比，在空氣純凈的場所(如超凈車間)內，因空氣中的離子濃度低，所以靜電更加容易產生。見下頁表1.4。表1.4電子生產中產生的靜電勢的典型值（單位：V）

1.3靜電的來源1.3.1人體靜電 1.3.2儀器和設備的靜電 1.3.3器件本身的靜電 1.3.4其它靜電來源 1.3.2儀器和設備的靜電儀器和設備也會由于摩擦或靜電感應而帶上靜電。儀器設備帶電后，與元器件接觸也會產生靜電放電，并造成靜電損傷。1.3.3器件本身的靜電電子元器件的外殼(主要指陶瓷、玻璃和塑料封裝管殼)與絕緣材料相互摩擦，也會產生靜電。器件外殼產生靜電后，會通過某一接地的管腳或外接引線釋放靜電，也會對器件造成靜電損傷。1.3.4其它靜電來源除上述三種靜電來源外，在電子元器件的制造、安裝、傳遞、運輸、試驗、儲存、測量和調試等過程中，會遇到各種各樣的由絕緣材料制成的物品，如表1.6所列。這些物品相互摩擦或與人體摩擦都會產生很高的靜電勢。表1.6電子元器件操作環境的其它靜電源1.5靜電放電的三種模式1.5.1帶電人體的放電模式 1.5.2帶電機器的放電模式 1.5.3充電器件的放電模式 圖1.3人體放電實例

圖1.4充電器件放電實例

1.5.2帶電機器的放電模式機器因為摩擦或感應也會帶電。帶電機器通過電子元器件放電也會造成損傷。機器放電的模型（MachineModel）如圖1.6所示。與人體模式相比，機器沒有電阻，電容則相對要大。CM＋－VM圖1.6帶電機器的放電模型1.5.3充電器件的放電模型在元器件裝配、傳遞、試驗、測試、運輸和儲存的過程中由于殼體與其它材料磨擦，殼體會帶靜電。一旦元器件引出腿接地時殼體將通過芯體和引出腿對地放電。這種形式的放電可用所謂帶電器件模型(Charged-DeviceModel，CDM)來描述。雙極型器件的CDM等效電路如圖1.7(a)所示。MOS器件的CDM等效電路如圖1.7(b)所示。圖1.7帶電器件的靜電放電模型（a）雙極型器件（b）MOS器件1.6靜電放電失效1.6.1失效模式 電子元器件由靜電放電引發的失效可分為突發性失效和潛在性失效兩種模式。據統計，在由靜電放電造成的使用失效中，潛在性失效約占90％，而突發性失效僅占10％。1.6.2失效機理

靜電放電失效機理可分為過電壓場致失效和過電流熱致失效。第一部分小結1.1靜電和靜電放電的定義和特點 1.2靜電的產生1.3靜電的來源1.4靜電放電的三種模式1.5靜電放電失效第二部分：制造過程中的

防靜電損傷技術主要內容2.1靜電防護的作用和意義2.2靜電對電子產品的損害2.3靜電防護的目的和總的原則2.4靜電防護材料2.5靜電防護器材2.6靜電防護的具體措施2.1.1多數電子元器件是靜電敏感器件2.1.1電子元器件是靜電敏感器件表2.1一些器件的靜電敏感度2.1.2靜電對電子行業造成的損失很大電子行業如微電子、光電子的制造和使用廠商因為靜電造成的損失和危害是相當嚴重的，每年的損傷達數十億美元。圖2.1Ti公司某一年客戶失效器件原因的分析統計圖2.21993年從制造商、測試方和使用現場得到的3400例失效案例統計

2.1.3靜電對元器件造成的潛在性損傷

ESD對電子元器件的危害還表現在它的潛在性：定義：即器件在受到ESD應力后并不馬上失效，而會在使用過程中逐漸退化或突然失效。這時的器件是“帶傷工作(workwounded)”。這是人們對靜電危害認識不夠的一個主要原因。特點： (1)無法鑒別和剔除； (2)累積性。解決的方法： 避免或減少這種損失的最好辦法就是采取靜電防護措施，使元器件避免靜電放電的危害。2.1.4國內外的企業狀況國際上在1979年成立了EOS/ESD研究協會：美軍標883E“微電路試驗方法”中關于ESD等級評價的標準已先后7次修訂；美國多數主要的電子制造商在八十年代初也已經建立了他們的ESD組織機構；我國在這方面的工作起步要晚很多，差距較大：在靜電防護方面，合資和獨資企業的狀況較好，起步較早，大多參照國外企業的做法，民品企業也已經意識到靜電問題重要性，生產線的靜電防護方面投入人員和資金，取得了很好的效果。2.2靜電對電子產品的損害靜電對電子產品的損害有多種形式，并具有自身的特點。2.2.1靜電損害的形式2.2.2靜電損害的特點2.2.3可能產生靜電損害的制造過程2.2.1靜電損害的形式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器件的三種影響：(a)靜電吸附灰塵，降低元器件絕緣電阻（縮短壽命）。(b) 靜電放電（ESD），造成電子器件破壞。(c) 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）2.2.2靜電損害的特點(1)隱蔽性

人體感知的靜電放電電壓為2－3KV(2)潛在性和累積性(3)隨機性(4)復雜性

在分析損傷原因和區別其他損傷方面很復雜2.2.3可能產生靜電損害的制造過程(1)元器件制造過程在這個過程，包含制造，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)設備制造過程電路板驗收、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。(5)設備維修過程2.3靜電防護的目的和總的原則

2.3.1目的和原則

2.3.2基本思想和技術途徑

2.3.1目的和原則

靜電防護的根本目的：在電子元器件、組件、設備的制造和使用過程中，通過各種防護手段，防止因靜電的力學和放電效應而產生或可能產生的危害，或將這些危害限制在最小程度，以確保元器件、組件和設備的設計性能及使用性能不致因靜電作用受到損害。原則：靜電防護應從控制靜電的產生和控制靜電的消散兩方面進行：控制靜電產生主要是控制工藝過程和工藝過程中材料的選擇；控制靜電的消散則主要是加速靜電的泄漏和中和； 兩者共同作用的結果就有可能使靜電電平不超過安全限度，達到靜電防護的目的。2.3.2基本思想和技術途徑對靜電敏感器件進行靜電防護和控制的基本思想有兩條：(1)對可能產生靜電的地方要防止靜電的聚集。

(2) 對已存在的電荷積聚，迅速可靠地消除掉。

2.3.2基本思想和技術途徑基本途徑有：（1）工藝控制法（2）泄漏法（3）靜電屏蔽法（4）復合中和法（5）整凈措施2.3.2基本思想和技術途徑(1)

工藝控制法

旨在使生產過程中盡量少產生靜電荷.為此應從工藝流程、材料選擇、設備安裝和操作管理等方面采取措施，控制靜電的產生和積聚，抑制靜電電位和靜電放電的能力，使之不超過危害的程度。(2)

泄漏法

旨在使靜電通過泄漏達到消除的目的。通常采用靜電接地使電荷向大地泄漏；也有采用增大物體電導的方法使靜電沿物體表面或通過內部泄漏，如添加靜電劑或增濕。最常見的是工作人員帶的防靜電腕帶，靜電接地柱。(3)

靜電屏蔽法內場屏蔽：用接地的屏蔽罩把帶電體與其它物體隔離開來，這樣帶電體的電場將不會影響周圍其它物體。如儀器設備的金屬機殼。外場屏蔽：用屏蔽罩把被隔離的物體包圍起來，使其免受外界電場的影響。如GaAs器件包裝多采用金屬盒或金屬膜。(4)

復合中和法

旨在使靜電荷通過復合中和的辦法，達到消除的目的。通常利用靜電消除器產生帶有異號電荷的離子與帶電體上的電荷復合，達到中和的目的。(5)

整凈措施

旨在避免尖端放電的現象。為此，應該盡可能使帶電體及周圍物體的表面保持光滑和潔凈，以便減少尖端放電的可能性。2.3.2基本思想和技術途徑2.4

主要的靜電防護工程器材2.4.1防靜電材料2.4.2靜電防護器材2.4.1靜電防護材料 靜電防護材料或防靜電材料在靜電防護和控制工程中占有重要的地位，由防靜電材料制成的靜電防護用品如容器、服裝、傳送帶等是制造過程中必不可少的。2.4.1.1與靜電防護材料有關的基本概念2.4.1.2靜電防護材料的主要參數2.4.1.1與靜電防護材料有關的基本概念電阻和電阻率體電阻率表面電阻率

電阻表面電阻體電阻絕緣材料導電材料耗散材料屏蔽材料抗靜電性2.4.1.2靜電防護材料的主要參數防靜電材料的主要參數（1）表征起電能力的參數：表面靜電位U，帶電量Q或電荷面密度；（2）

表征衰減能力的參數：表面電阻RS，泄漏電阻R（對制品）；表面電阻率S、體電阻率、V（對材料）；時間常數或靜電半衰期t1/2：對介質＝，對導體＝RC（1/e）;t1/2=0.69

2.4.3靜電防護材料的分類以表面電阻率(單位/)劃分如下：

1041051012

靜電耗散材料靜電絕緣材料靜電屏蔽

靜電導體

根據防靜電材料的來源可以分為天然材料和人造材料兩大類。人造材料主要有兩種制造方法：一是在原來的材料中添加帶電性材料或物質，添加的材料或制品具有永久性；另一種方式是表面涂敷，現在也有耐久的高分子表面活性劑。2.5靜電防護器材靜電防護器材主要分為兩大類:

防靜電制品和靜電消除器防靜電制品是由防靜電材料制成的物品，主要作用是防止或減少靜電的產生和將產生的靜電謝放掉。靜電消除器用來中和那些在絕緣材料上積累的、無法用泄放方法消除的靜電電荷。2.5.1防靜電材料的制品2.5.1.2防靜電包裝和運輸制品等2.5.1.1防靜電服裝和腕帶2.5.1.3防靜電地板和臺墊其他2.5.2靜電消除器

（消電器、電中和器或離子平衡器）靜電消除器

消電器的主要類型－－感應式消電器；－－高壓消電器；－－放射性同位素消電器；－－離子風消電器2.6靜電防護的具體措施2.6.1建立靜電安全工作區2.6.2包裝、運輸和存儲過程的防靜電措施2.6.3靜電檢測2.6.4靜電防護的管理工作2.6.1建立靜電安全工作區圖2.9典型的安全工作區示意圖。靜電安工作區的建立主要包括：（1）設置防靜電接地系統；（2）鋪設防靜電地板和臺墊；（3）安裝靜電消除器；（4）工作人員尤其是操作人員的靜電防護：（5）正確的操作方法（6）使用防靜電器具：如防靜電容器、工具等；（7）控制防靜電工作區的濕度和凈度。2.6.1建立靜電安全工作區（5）正確的操作方法拿器件時拿外殼而不觸摸管腳引線電路板安裝時最后插入敏感器件不帶電插拔器件和電路板經常觸摸靜電接地柱不做摩擦類動作等并且防止人和人之間直接傳遞。2.6.1建立靜電安全工作區2.6.2包裝、運送和存儲工程的防靜電措施主要目的是防止靜電的產生：如采用防靜電包裝、器件引腳等電位、避免摩擦、即時接地消電等。由于沒有安全工作區或接地系統，必須特別謹慎！防靜電包裝的作用：1、防止靜電的產生和積累；（如抗靜電塑料裝運管）2、使器件的所有管腳短路，等電位；（如金屬標準，導電泡沫，對I類靜電敏感器件）3、對外電場屏蔽。運送過程避免摩擦、接觸、振動和沖擊等；優化傳輸線的速度、采取消電措施等。2.6.3靜電檢測(1)常用的靜電檢測儀表

靜電電位計、兆歐表（高阻表）、腕帶檢測儀、連接監測儀等。靜電電位計：適于導體的接觸式（會改變待測物體的導電狀況）和適于絕緣體的非接觸式（利用靜電感應原理）。 非接觸式靜電計：直感式、旋轉葉片式、振動電容式和集電式。(2)靜電檢測分類

按時間分：經常性、定期性和臨時性；按測試精度分：定量和定性按場所分：現場測試和試驗室測試，2.6.4靜電防護的管理工作(1）建立完整、嚴格的防靜電控制程序，貫徹到設 計、采購、生產工藝、質量保證、包裝、存儲 和運輸等各環節和部門；（2）醒目的靜電敏感器件標志；（3）靜電防護的培訓。

圖2.11各種防靜電標記(a)防靜電工作區(b)和（c）防靜電容器、元件架、運輸