ESD静电防护知识

R1
RS
R2
1.5K£ [ ± 5%
A
Regulation High Voltage Power Supply
R1 - Current Limiter Rs - Relay
Waveform Measurtment T erminal C1 - ¤ HÅ é ¹ q ® e (¥ ­ § ¡ ) R2 - ¤ HÅ é ¹ q ª ý (¥ ­ § ¡ ) D.U.T . - « Ý´ ú § ÷ ® Æ A, B - « Ý´ ú ª « ¤ § ± µ ¸ }
(Field)
元 件
d)
外在電場感應電荷
E
接地造成ESD放電
(FIM)
3. 充電元件模式(Charged Device Mode,CDM) – 上述FIM模式中當元件被移離開電場或接地時，就變成 CDM模式 (Field)
元 件
移離電場
(CDM)
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接地消失
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◇ 元件被ESD 破壞之原因及型態
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◆ 靜電的累積破壞 – 負傷而行 •負傷而行（Walking Wounded） – 許多實驗證實靜電能使半導體負
傷，但不致立即完全破壞其功能，而且有多數這些『負傷而行』的 元件都能通過測試直到這些元件送到客戶之後，隨時會從『負傷而 行』變成完全失效。 •下面是一ESD累積破壞的試驗： 應用前述HBM接線方式（僅略去人體的電阻R2=1.5KΩ）來 量測54S163IC
注 , 1.二種不同性質的物質碰在一起再分離(称为摩擦). 2, 其中一種物質為 絕緣體.
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◆ 工作場所中常見的靜電產生物質或活動 ：
• 工作桌面 – 一般的塑膠、上脏、上漆。 •地 •衣 •椅 板 – 水泥地板、一般塑膠地板。 服 – 人造纖維衣服、一般非導電鞋、 抹布。 子 – 木材椅、塑膠椅、玻璃纖維椅。
◆ ESD破壞之原因： 1. 功率產生：如熱崩潰、 金屬被熔融
2. 電壓產生：如介電質崩潰、表面崩潰
3. 潛在性故障：如功能劣化、降級(PS:EOS - 指一個IC材料
受到其所能負荷的電壓,電流而遭受到破壞的狀態)
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◆ ESD破壞之型態
1. 接面崩熔（Junction Burnout） 過大的電流通過接面時，產生極大的熱量，使得接面崩熔。此種 破壞是屬於接面短路，並有二個特性 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. 正向偏壓的ESD破壞能量是負向偏壓的5~15倍
去鋁層之後的接合窗
A金屬接合窗
橫 切 面 放 大 (2,000) 19
橫 切 面 放 大 (10,000)
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◇ 靜電防護
◆ 晶片設計的靜電防護(治本方法) 本方法乃是靜電防護最好的辦法，但在設計半導體的抗靜電 電路時，必須考慮到電路產生熱的影響、反應時間、 最大電 壓、 能量傳導、 寄生電容等等因子，故並非隨心所欲可以辦 到。因此靜電防護仍必須靠一些治標的方法。 ◆靜電防護的基本原則 1. 避免靜電產生 2. 疏導或中和所產生之靜電 3. 屏蔽靜電場 逐一介紹說明如下：
PASS
PASS FAIL FAIL
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◇ ESD破壞分析
◆ 找出PCB上之故障元件
◆ 對故障元件進行基本電性量測
– 功能測試 – 參數測試 ◆ X-ray做表層分析 ◆ 去封膠（Decapsulate）檢視內部
◆ 去除各層（玻璃層、鋁層）層層檢視
幾種遭ESD破壞案例參考
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層，亦即受原子核 (Nuclei) 的束縛最小，當受到外來電場的吸引而移動 (產生
電流) ，此類物質稱為導体 # 絕緣體 – 物体缺乏上述可移動的電子或價電子的物質，稱為絕緣体其表面電阻係數介於 1012 Ω /square以上
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◎电池端子上的电，它是一种由活泼金属与电解液发生反应而形成，电解液一方呈 正电，金属一方呈现负电 ◎摩擦生電，两个不带电的物质相互摩擦而产生电子转移的过程.
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1. 避免靜電產生 (A) 潮溼法(Moisturing)水氣本身會有導電現象，故可降低絕綠體表 面電阻，達到靜電防護目的 (B) 抗靜電塗佈法(Anti-Static Coating) – 有部份溶液可噴灑於綠體 青面降低物體表面電阻，達到靜電防護的目的。但此種塗層，日 久會脫落而漸漸失去其效果，故必須考慮其有效期。 (C) 內部靜電劑法(Imbeded Anfi-Static Agent) – 這是在材料中加入 具有導電性或吸溼性的物質，使其外層具有輕微導電性。此方法 可以不必考慮有效期，但成本較高。 2. 疏導或中和靜電法 (A) 疏導法(Bleed-Off) 典型的疏導法就是配帶靜電環(Wrist Strap)，是將人體產生之靜 電電荷，藉由導線將所產生之電荷傳導出去。通常靜電環中會接 一1MΩ之接地電阻，以保護人員工作之安全。
• 包裝及運送 –塑膠袋、泡棉、保麗龍、塑膠盒。 • 組裝、加工、測試、修理 – 噴霧清潔劑、吸錫器、鉻鐵、 刷子 、塑膠帶、 熱氣、烤箱、 複寫紙。
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◇ 半導體產品抗靜電能力
◆ 抗靜電能力之量測(Human Body Model)
• 依 MIL-STD-883，Method 3015， 測試線路圖 ：
這些就是靜電瞬間泄放(ESD)所主導產生的現象，它是一个急骤放电过程 ESD-Electro Static Discharge ◆ 其實靜電並不僅由人為才會產生，例如 – 空中對流的雲層 – 沙漠中隨風飄起的砂等 ◆我们就是要防止ESD进入电子元器件。
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◇要防止ESD，首先必须知道靜電如何形成
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(B) 中和法(Neutralization) 利用靜電消除器(Ionizer)來釋出正、負離子以中和消除靜電效應。 目前常用的靜電消除器有下列幾種： a. 放射性靜電消除器 – 使用放射性物質釙或元素之輻射能來撞擊空 氣使之分裂成等量的正、負離子。使用此Ionizer必須加防護結構。 其優點是不需電源容易裝置，具有防炸功能；缺點是使用壽命短 (每年更換)，必須離使用遇火警時極危險。 b. 高壓靜電效應消除器 – 利用針點高壓(5KV左右)尖端放電來電離 空氣分子。此種裝置具有高效率及高安全性之特點，所產生之電 流僅幾微安培(μA)，不會產生電擊。
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2017.09
Plastoform Confidential
PE 1
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◇ 什麼是靜電放電 (ESD)
◆ 嚴寒的冬天，當您脫下暖和的毛衣，您會聽到嗶嗶啪啪聲 ◆ 乾燥的冷天，當伸手去開車門或窗戶，會感到觸電的感覺
◆ 用手去撫摸家裡的貓，您會發現貓竟然怒髮衝冠
試驗條件： 材料：54s163 人體電容：100pf 試驗結果： 測試前 第一次 I=2.883μA I=2.883μA PASS PASS
每次放電：50V
放電次數：5次 測試點：Vin=Pin2 (A) GND=Pin8 (B)
第二次
第三次 第四次 第五次
I=2.890μA
I=2.890μA I=1.872mA I=2.147mA
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◆ ESD 對人体會造成傷害嗎？
• 家中的110V、240V常常因為使用不慎造成傷亡，那動輒幾KV 之ESD呢？是否會對人體造成傷害呢？ • 造成肌肉或心臟麻痺主要的是……電流，尤其是交流電流。 • 電流對人體傷害分析表 (MIL-STD-454) 。 電 流 大 (毫安培 、mA) AC (60Hz) 0-1 1-4 4-21 21-40 40-100 100 以上 DC 0-1 4-15 15-80 80-160 160-300 300 以上 結 果 有知覺 感到驚訝 有反射動作 肌肉麻痺 休克 立即死亡
◆ 靜電是静止电荷所产生的电，它史載最早發現的一種〝電〞 – 靜電其實是自從有人類以來，就影響著人類的生活 – 西元前 640年， 希臘哲學家 THACES 把琥珀(Amber)摩擦後發現可以 吸附毛髮，而開始知道靜電的存在 ◆ 靜電的形成
• 开路电池端子上的电
• 两个相互绝缘的物体摩擦所产生的电 • 在一个电场中感应到的电 # 導 體 – 具有可移動的電子或價電子 (Valence Electrons) 在原子結構的最外
◎ B)當不同條件下，靜電壓之變化 產生方法 10%~20%相對濕度 走過地毯 35,000 V 走過塑膠地毯 12,000 V 在椅子上工作 6,000 V 拿起塑膠文件夾 7,000 V 工作椅墊摩擦 18,000 V
65%~95%相對濕度 1,500V 250V 100V 600V 1,500V
E B C
E B C
2. 氧化層貫穿針引線（Oxide Punch Through） 通常在金屬氧化層半導體（MOS）上可以發現此類型之破壞， 這是由於外加的靜電壓超過了氧化層的崩潰電壓所致。其現象亦 是短路。
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3. 金屬層崩熔（Metalization Burnout） 由於過大的電流流經金屬層，並在較脆弱的地方產生，由於此種破經 常是伴隨著接面短路或是氧化層短路之後發生故屬於所謂的二次崩 潰（Secondary Breakdown）。而其現象為斷路。
c. 感應靜電效應消除器 – 這是利用帶電物質之高電壓(對接地點)來 電離空氣離子
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◇ ESD 的影響品質方式
1. 人體放電模式(Human Body Model , HBM)
– 顧名思義知道此為借由人體於走動摩擦產生靜電，而影響 到元件的模式
人 體 元 件
-------
( HBM )
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2. 電場感應模式(Field Induced Model , FIM) – 指由於外來電場感應產生電荷，巧遇機緣而將電荷引導 接地引起的模式 (Grounde
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7P+
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摩
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7P+
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7P+
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擦
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-
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平衡原子 1
平衡原子 2
帶負電原子
帶正電原子
靜電就在您的週圍 – 人在走路或跑步就可以產生可觀的靜電，下面是一個量測人體 靜電的實驗
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◎ A)上述條件測量結果 所穿鞋子 皮 鞋 皮 鞋 球 鞋 球 鞋 動 作 原地慢速踏步 原地快速跑步 原地慢速踏步 原地快速跑步 產生靜電壓(Volts) 150~200 200~250 200~250 250~3百度文库0
靜電破壞電壓(Volts) 100~200 100~ 140~7,000 190~2,500 250~3,000 300~2,500 300~2,500 380~7,000 500~ 680~10,000
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◆ 抗靜電能力之分類 – 依上述量測方法得到的結果，可將材料之 抗靜電能力區分為Category A與Category B(早期MIL分法) 類別 耐電壓 (Min. Volts) 材料防靜電包裝保護需求 A 20 ~ 2000 防靜電管及導電袋 B > 2000 防靜電管及防靜電袋 由上可知，大體而言只要100V以上的靜電壓就可以對半導体產 生傷害，故 ESD 之防護工作，我們不可不慎。 而基本上，不同Category 之半導體可以不同的等級來做ESD防 護，但為方便於處理，通常都以處理較嚴密的Category A 來做防護措施。
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◎各類半導體材料抗靜電能力之比較(NEPCON/ WEST Report)
抗靜電物質 - 物質若經自己相互磨擦或相互分開或與其它類似物質分開時不產生大於 +/200(TCP100V) 伏特的靜電壓者.
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晶片種類 MOSFET EPROM JFET Op-Amp CMOS SCHOTTKY DIODE TTL Bipolar Transistor ECL SCR
DC M eter
D.U.T .
C1 100pf ± 10%
B
1. Input (A) , Common (B) 3. Input (A) , Output (B) 5. V+ (B) , Common (A)
2. Output (B) , Common (A) 4. V+ (A) , Common (B)