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静电的概述

如今随着电子工业和计算机通讯事业的飞速发展，集成电路的集成度不断提高，0.1mm超微细加工技术制出的1G位(DRAM)动态存储器已不是梦想。0.1mCMOS器件到处可见，其相应耐击穿电压在80V-100V。随着集成度进一步提高和超高速IC的生产，器件的绝缘层更薄，耐压更低，VMOS器件有的只有30V。
A、静电现象
一、静电的益与害：
益：静电成像、静电喷涂、静电除尘已被广泛应用。
害：1、**艘阿波罗载人宇宙飞船，由于静电放电(ESD)导致火灾和爆炸，三名宇航名全部丧生。
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**数字万用表，由于IC没注意防静电，使其产品大部分不合格。
二、何为静电？
1、静电就是物体表面存在过剩或不足的静电荷，它是一种电能。
静电是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果，静电是通过电子或离子转移而形成的。
2、静电就是物体所带相对静止不动的电荷。
三、静电放电(ESD)现象：
1、有机玻璃与棉布摩擦后吸小纸屑。
2、脱下合成纤维上衣时产生劈啪声，夜间可见火花(空气击穿场强为30KV/cm)。
四、静电的产生方式：
接触、摩擦、冲流、压电、温差、冷冻、电解
五、静电的特点：
高电位：可达数万至数十万伏，操作时常达数百和数千伏。
低电量：静电流多为微安级(mA)。
作用时间短：微秒级
受环境影响大：特别是湿度，湿度上升、静电下降。
六、静电电荷单位：
库仑(C)、毫库仑(mC)、微库仑(mC)、微微库(rrC)
七、面电荷密度：
C/㎡ s= (q=电荷量；s=表面积)
八、从静电学来区分材料的导电情况：
静电导体：小于1×106Wcm(体电阻) 例：金属
静电亚导体：大于1×106Wcm而小于1×1010Wcm 防静电器材
静电绝缘体：大于1×1010Wcm 硬塑料
注意：由于静电的特点(电位高，电量小)，因此它与普通电工学中导体和绝缘体划分有所不同。
B、静电产生的物理过程
一、静电起电现象：
毛皮摩擦胶木棒，各自带极性相反，数量相同的电荷，一个失掉电子或空穴带电，如毛皮带正电，另一得到电子成为电子带电，如胶木棒－－负电荷。
二、静电序：
空气→人手→石棉→兔毛→玻璃→云母→人发→尼龙→羊毛→铝→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→聚氯乙稀→二氧化硅→聚四氟乙稀
其中，任意两种物质摩擦后前者带正电，后为负。但也不是**的，与材料表面清洁程度、环境条件、接触压力、光洁程度、表面大小、分离速度等有关。
三、固体起电：
与电子逸出功(功函数)、温度、电荷载体浓度有关。
形式：1、断裂带电
材料因机械破裂使带电粒子分离，使两侧带等量、异性电荷。
2、压电效应：石英 0.5V电位差，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：相互密切结合的物体剥离时，会引起电荷分离，引起分离物体双方带电，如叠在一起的塑料袋分离时，二次电流绝缘膜。
四、粉体起电：
粉体与器壁、粉体与粉体碰撞，接触分离、摩擦、碎裂而引起的静电颗粒越小，相互作用越强烈，碰撞面积越大，起电越强裂。五、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(石油)中的可电离杂质和其它离子被吸引到金属壁上。正负离子对金属不可能具有相同的亲和力，亲和力大的就被金属表面所吸引并吸附着，而液体中��荷量相等的异号离子留在液相内，并聚集在界面附近。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、流动带电
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，异号带电粒子留在管道中，如管道接地则流入大地，流动的电荷形成流动电流，稳态时，带电粒子不断被流动液体所带走，固定层电荷经接地管道而被中和。此现象有点像电解。不同的亲和力，扩散与液体流动的综合作用取代了电解中的电场作用。影响电量大小与极性因素有：1、液体种类及特性；2、管道材料及表面光滑度；3、流速、温度、含水量和空气及混合物及杂质微粒。
六、人体静电
人体是*主要的静电源之一
人体的活动使部分机械能转换为电能
每日耗热量：4.18×107J ＝ 10KWh
瞬间放电功率达九十千瓦
步行起电约800V
从聚氯乙烯椅子上站起来时带电18KV
人体对地电阻主要由鞋、袜、地面决定
湿度影响大：坐在塑料椅上
10～20% 18KV
65～90% 1.5KV
人体等效电容：100PF
电阻：1KW (～1.5KW)
**静电电压：100V(国标SJ/T 10630－95)
C、静电损伤
一、软损伤－－性能能下降，效应累加占90%，隐含性的
硬损伤－－一次性长久失效，占10%
二、器件敏感度的分级：
I级 0～1999V
II级 2000V～3999V
III级 4000V～15999V
非敏感 16000V以上
三、一些器件的静电敏感度：
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，因而有可能发生ESD损害。
装有静电敏感器件的单板也易受静电损伤。电路设计、布板、加工均需注意。
四、静电损伤模型：
人体带电模型：人体在日常的活动和生产操作中都可能产生不同数值的静电，其电压从十伏至数万伏不等。 HBM是根据带有静电的操作者在工作过程中与器件的管脚接触，将存贮于人体的静电荷通过器件对地放电、致使器件失效而建立的，因此称为人体带电模型，其等效电路如图所示。
E 高压直流电源（0~5kV）
Rb 人体等效电阻（1.5k 1%)
Cb 人体等效电容(100PF 10%)
Rs 充电限流电阻(1~10M)
DUT 被试器件
K1 高压继电器
另外，还有“器件带电模型”和“电场感应模型”。
五、损伤实例：
1、Motorola、MOS大规模集成电路－－CPU，老化11周。开始未采用导电盒放置，拒收率为40×10－n，但从四周后用镀镍盒放置，则降为15×10－n，此实验跟踪7个多星期，平均为18×10－n。
2、国内某厂生产CMOS电路筛选入库后，抽检发现有5%失效率，失效率模式为输入漏电流增大。经分析与ESD有关，该厂生产的CMOS电路在测试前后都放置在普通塑料盒内，塑料上的静电荷传递给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，导致ESD损伤而失效，后来采用一系列ESD措施、改为防静电盒，现象消失。
静电绝缘体，电阻率>1012，硬塑料，有机玻璃。 D、防静电的方法
1、防静电区设计原则：
① 抑制静电荷的积累和静电压的产生。如设备、仪器、工装不使用塑料、有机玻璃、普通塑料袋。
②**、迅速，有效地消除已产生的静电荷，使用有绳防静电腕防静电椅、车、箱。
③保证静电压小于100V。
2、地面
防静电地面，(防静电水磨石，防静电地板)105～1010，敷设地线网。
3、工位
台面、工作椅、凳面应采用ESD保护材料。
4、人体
穿防静电服、鞋、腕等(1M)。
5、接地
a、防静电工作区必须有**可靠的防静电接地装置，地电阻小于4。防静电地线不得与电源零线相接，不得与防雷地线共用，使用三相五线制的供电时，其地线可以作防静电地线。
b、工作台面、地板垫、坐椅、凳和其它导静电的ESD保护措施均应通过限流电阻接到地线，腕带等应通过工作台顶面接地点与地线连接，工作台不可相互串联接地。
c、防静电工作区接地系统，包括限流电阻和连接端子应连接可靠并具有一定载流能力，限流电阻阻值选择应保证漏泄电流不超过5mA，下限值取为1M Ω。
6、湿度
小于60%时，须建防静电操作系统。
7、电离器
不能有效地泄放静电荷的场合，可采用电离器通过空气中的正负离子来防止和中和元器件和其它物体上电荷积累，电离能力大于250V/s。
8、增湿
增湿器可使潮湿空气流，防止静电荷积累，此法不适；增湿后产生有害影响的场地。
9、包装
静电敏感器件应采取保护性包装；
静电敏感器件包装器具必须采用防静存放盒，防静电塑料袋。
10、运输、贮存
SSD必须放在防静电容器(箱、袋)内，并用防静电运输工具(车)。
库房满足防静电操作系统要求，SSD须放防静电容器内，贮运中要远离静电，电磁场或放射场的位置。
11、SSD元器件应分类拿放，静电敏感符号
符号符合GJB1649规定。
E、防静电材料的度测方法与时效性
1、摩擦起电法：棉布120次/分 20次。
2、电阻率测量法，小于1010W为好。
3、衰减常数 RC
红色塑料袋与红色泡沫时效期半年，不能在阳光下晒，黑色防静电箱5年，装IC塑料管、也有时效性。
F、生产系统现场存在的问题
摩擦法测试
一、流水线3条
补焊1线(中试线)静电压高达880V
补焊3线静电压高达580V(皮带线)
电缆托板线180V
二、元器件包装塑料袋达2000V，内装各种IC
三、零部件箱
3300V，内装各种IC。
四、自动线体与工装
用户板测试线白色塑料压棒
五、软件写入器外壳为普通塑料，摩擦后可带数百伏静电
G、静电测试仪器
1、非接触静电场测量仪
2、表面电阻测量仪
H、待做的工作
1、完善生产中各环节的防静电工艺规范
2、静电敏感器件的分类与防静电规定
3、静电敏感器件在电路中提高抗静电设计要求
4、防静电材料与器材的质量保证
5、培训

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