ESD基本常识

1.ESD的基本知识
1.1什么叫静电---即相对静止不动的电荷（Electro-Static），通常指因不同物体之间相互摩擦而产生的在物体表面所带的正负电荷。

1.2静电放射（ESD）---指具有不同静电电位的物体由于直接接触或静电感应所引起的物体之间静电电荷的转移（Electro-Static-Discharge）。通常指在静电场的能量达到一定程度之后，击穿其间介质而进行放电的现象。

1.3静电产生的原因
   1.3.1微观原因----根据原子物理理论，电中性时物质处于电平衡状态。由于不同物质原子的接触产生电子的得失，使物质失去电平衡，产生静电现象。
    1.3.2宏观原因---1）物体间摩擦生热，激发电子转移
2）物体间的接触和分离产生电子转移
3）电磁感应造成物体表面电荷的不平衡分布
4）摩擦和电磁感应的综合效应

图一：物体接触 图二：物体分离
                 
表一：典型的静电电压：
静电电荷源  测得的电压（V）
  10%~20%RH  65%~90%RH
走过地毯  35000  1500
在聚烯烃类塑料地面行走  12000  250
工作台旁操作的工人  6000  100
翻动聚乙烯膜封皮的说明书  7000  600
从工作台拾起普通聚乙烯袋  20000  1200
垫有聚氨酯泡沫的工作椅  18000  1500
1.4 静电造成的危害
  1.4.1在过去的十年里，虽然有许多的努力但是静电仍然影响着制造生产量、产品质量、产品可靠性和制造成本等。业界专家统计每年约有数十亿美金的直接损失，间接的损失（维修、重工、运输等）就更多了。ESD的损害是电子制造业中最大的不良原因之一（约占8-33%）
                                  表二：静电损害统计表
静电损害阶段  最小损失  最大损失  平均损失
元器件制造业  4%  97%  16-22%
元件贴装业  3%  70%  9-15%
电子组装业  2%  35%  8-14%
使用者  5%  70%  27-33%

1.4.2 ESD对电子元器件损害的形式
      A．即时失效---产品的功能丧失，在最终检验前能被测试发现。可以重新维修、测试或报废。
         即时失效约占受静电损害形式的10%。
      B．延时失效---产品可以通过所有的检验和测试，到用户使用一段时间后失效，产品性能不稳定，存在潜伏性失效，极不易受控。只有在过程中预防ESD的损害。
         延时失效约占受静电损害形式的90%。

1.5 静电放电模式
   A．其他物体对本物体放电-----当一带静电的物体（包括人体）对本物体释放静电时，造成本物体的损坏。
   B．对本物体放电-----当本物体带电并对其他物体进行放电时，造成本物体的损坏。
  C．电场感应放电-----当一物体聚积大量的静电时，在它的周围就有一个感应的电场，如果静电敏感物体靠近接触到该电场，也会感应生成电压，就可能造成静电敏感物体的损坏。
   注：本物体是静电敏感（ESDS）物体。
1.6 静电保护安全静电压是多少
1.6.1静电保护的安全静电压和电子元器件本身承受静电损坏的程度有关，
有三种方式可以确认元器件的静电承受等级。1.HBM（Human Body Model）人体模式； 2.CDM(ChargedDevice Model )物体带电模式 ； 3. Machine Model机械模式。
   1.6.2大多数电子元器件在小于100V的静电压影响下就会损坏，也有的电子元器件（如磁盘元件）在10V的静电压影响下就失效了。
                                  表三：元器件敏感程度表
元器件类型  损坏电压（V）
VMOS  30---1800
MOSFET  100---200
EPROM  100---1500
JFET  140---7000
OPAMP  190---2500
CMOS  250---3000
Shottky Diode  300---2500
Resistor  300---3000
Bipolar transistor  400---7000
SCR  700---1500
Shottky TTL  1000---2500
HCMOS  700---1500
ACMOS  350---2000
BCL  500---1500
   概述：1.事实上所有的材料，甚至导体都有可能摩擦生电。
         2.增加ESD的几种因素
          2.1低湿度
           2.2一定的活动（走动、推动等）
          2.3快速运动
          2.4所接触材料的类型（特别是塑胶类和合成材料及绝缘体）
        3.静电的放射能立即的损坏产品，也有可能对产品造成潜伏性的损害。
        4.静电存在于我们组装生产、测试、运输等各个阶段里。
        5.带电的物体的四周存在静电场。
        6.元器件的静电损伤有三种模式造成：a其他物体放电至本物体；b从本物体放电；c电场感应引起的电荷转移。
2.ESD控制原理
2.1 静电控制方法（因为静电荷总会寻找到放电的路径，所以我们要事先正确的引导静电的泄放）
   A.设计我们的元件、产品或装配件，使其更合理的避免静电放电(ESD)的作用。
a.可能的话，使用对静电不敏感的元件，
b.对我们使用的那些静电放电敏感的(ESDS, ESD-sensitive)元件提供适当的输入保护。
这里相互矛盾的是，先进的生产技术意味着更小型化和更复杂的几何形状，但通常对ESD更为敏感。可是，在产品设计就建立越多的ESD控制，其后将发生的问题越少
   B．定义我们所需要控制的等级（本公司对静电安全区内的静电压要求在100V以下）
   C．划分并标示ESD安全区域
   D．消除或降低静电的产生
     产品设计是不可能达到全部预防ESD的要求，所以我们要在过程中消除或降低静电的产生。
      最基本的是没有充电就不会有放电。
     a在工作环境中尽可能地减少或消除许多静电产生的工序或材料，如普通塑料；减少搬运等。
     b在工作环境中的工序或材料应该保持在相同的静电电势，因为ESD不会发生在保持相同电势或零电势的材料之间。
     c提供地线给静电手环带、地板或工作台表面，安全地减少放电产生与积累。这些导电或释放材料应该电气连接到相同的公共地。
我们不可以逃避ESD元件和产品，但是可以减少或消除静电放电的产生与积累。
   E．安全的释放或中和
     因为静电的所有产生是不可能完全消除的，所以我们只有安全地释放或中和那些要发生的静电。
a适当的接地和导电性或耗散性的材料起主要作用。例如，带静电进入工作环境的工人可通过带静电手环或穿戴ESD工作鞋踏过ESD地板垫来消除自己身上的静电。静电传到地线，而不是对敏感元件放电。
b对一些物体，如普通塑料和其它绝缘体，接地不能消除静电放电。通常，利用离子风机来中和这些绝缘材料上的放电。离子风机在作用过程产生正负离子，吸引到放电物体表面，因此有效地中和静电。
F．保护产品
      我们要预防静电放电时接触到敏感元件和装配。
a一个方法是，对元件和装配提供适当的接地或分流，使任何放电从产品分散开。
b第二个方法是，采用适当的包装材料来包装和运输敏感元件。这些材料可有效地将产品屏蔽开静电，减少由于包装内任何产品移动而产生的静电。

这六条静电控制方法可帮助选择适当的材料和程序，用来有效地控制ESD。在大多数情况下，有效的ESD控制程序将涉及所有这些方法。在开发控制程序中，确认那些敏感元件、敏感的级别、和那些对其具有ESD危害的操作。然后寻找防护这些元件的方法。最后，选择和实施可完成这个任务的程序和材料的结合使用。

2.2 有效的ESD控制计划
   A．成立ESD控制小组
     因为ESD问题和解决可能涉及到各个部门，所以ESD控制小组成员会有工程、制造、HR、QA、仓库、采购等组成，这个小组负责公司ESD的开展、稽核等管理工作。
   B．评估及规划
     根据公司ESD敏感项目（元器件、装配、成品）来定义ESD敏感的水平。可以公司内部测试定义，也可以采用供应商提供数据或参照国际标准。再根据定义好的ESD敏感水平来规划公司的设备、程序、组织的适用性。
   C．建立ESD控制程序
     在完成公司的ESD评估和规划的基础上，建立一个ESD控制程序，以书面文件的形式清楚的定义每个人的义务及职责。
   D．取得高层管理的支持
      ESD控制计划实施需要高层管理的支持。
   E．制定一个训练计划
     适当的训练对对经常接触ESD的人员是尤为重要，它的主要目标是让员工自觉地预防ESD事件的发生。
   F．稽核计划
     完善一个控制计划需要不断的稽核、分析、改进。稽核检查是很重要的，它让我们找出实施中的缺点和控制计划是否被有效地执行。
   
概述：静电控制六个方法和六项控制计划的发展和落实，是实施有效的ESD控制程序的指导。

3.ESD控制程序及材料
  3.1首先是要定义元件和装配的ESD敏感水平，然后再决定相应的ESD控制程序和材料
  3.2定义那些区域需要ESD保护
                         表四：典型的需要ESD保护的区域
收料区域
检验区域
储物料区域和仓库
装配线
测试区域
研发部
包装区域
维修区
实验室
无尘室
3.3对有效的ESD控制，将静电释放在大地上是十分重要的。所以要将工作区所有工作桌、机器、工作桌表面、人连接于相同的接地线上。
3.4控制人体上的静电
  人体的静电是主要的静电源之一，他可能有上千伏。如果不适当的控制，这项静电很容易对静电敏感器件造成损害，所以ESD控制程序特别强调人体静电的解除。
  A．静电手环-----它是控制人体静电主要方法之一。静电能通过手环连续安全地释放到地上，并不在人体上累积。
    B．导电鞋-----它连同ESD地板组合，由ESD地板提供一条静电从导电鞋到大地的释放途径。使人体减少积聚静电荷至安全水平，除此之外它们还可减少摩擦充电。
    C．静电衣----能隔离人体皮肤和衣服织物上的静电，让静电通过静电手环或导电鞋安全地释放到地上。
  3.5工作站的要求
    标准ESD工作站须提供连接工作桌面、仪器、手环、辅助设备和地板到相同的地上。
     工作桌面和地板面的表面阻抗应在106---109 ohm之间。
                         图三：典型的ESD工作站图示

3.6 包装和ESD处理材料
   包装是指用具有ESD防护功能的材料来包装静电敏感器件，防止静电对它造成伤害。包装材料提供三种保护的方式：1.超低充电 2.静电释放保护3.屏蔽电场
ESD处理材料:
    1.绝缘材料-----电荷无法移动。表面电阻大于1×1012 ohm; 体电阻大于1×1011ohm。
   2.导电材料-----因为它有较低的阻值，电荷很容易的在表面或内部移动。表面电阻小于1×105ohm; 体电阻小于1×104ohm。
   3.耗散性材料----耗散性材料的阻抗是间于绝缘和导电材料之间的，所以它的电荷移动的速度比绝缘材料要快，但比导电材料要慢。它的表面电阻在1×105—1×1012 ohm之间; 体电阻在1×104—1×1011 ohm之间。
3.7 识别
      用适当的符号来识别静电敏感装置，提示要注意ESD保护。ESD协会制定了二种符号
     A．ESD敏感符号（下图）由三角形、手和一斜线组成。三角形代表“小心”，一只到达的手和斜线代表“不接触”。整个表示为：ESD敏感的材料，不可接触。
   
图五：ESD敏感符号
     B．ESD保护符号（下图）由三角形、手和一弧线组成。弧线代表“伞”，表示ESD保护材料。

图六：ESD保护符号
4. ESD的训练和稽核
    为了确保我们ESD控制程序的有效性和员工的执行状况，所以要进行ESD的训练和稽核。
4.1ESD训练包括全公司的人员，甚至于我们的供应商和外包商。训练内容包括ESD的原理、控制程序的细节，每个人的职责等。为了保证我们训练的效果，可以进行测试。
4.2稽核检查
    稽核是ESD控制程序的成功管理的一个主要因素。
       A．稽核的标准应当有文件和程序明确定义
       B．稽核过程中需要使用一些测量仪器
       C．稽核包括所有的ESD保护区域和相关设施。
       D．需要定期进行稽核
       E．将稽核的结果详细的记录下来。
      F．根据稽核结果制定一个矫正行动来完善整个ESD控制体系。