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ESD 專題報告

ESD 專題報告. 什麼是靜電. • 原因 : 剝離、摩擦、感應 …. • 機制 : 物質因失去或得到電子而帶電. 影 響 摩 擦 生 電 電 量 的 因 素. 物質材料. 相對溼度. 摩擦頻率. 接觸面積. 材料的影響. • 鋼 • 木 • 橡膠 • 金 • 多元脂 • 聚胺脂 • 聚乙烯 • 聚丙烯 • 乙烯基 • 矽 • 鐵弗龍 負 (Negative).  正 (Positive) • 空氣 • 人手 • 玻璃 • 毛髮 • 石英 • 尼龍 • 羊毛 • 絲綢

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ESD 專題報告

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Presentation Transcript

  1. ESD 專題報告

  2. 什麼是靜電 • 原因 : 剝離、摩擦、感應…. • 機制 : 物質因失去或得到電子而帶電

  3. 影 響 摩 擦 生 電 電 量 的 因 素 物質材料 相對溼度 摩擦頻率 接觸面積

  4. 材料的影響 • 鋼 • 木 • 橡膠 • 金 • 多元脂 • 聚胺脂 • 聚乙烯 • 聚丙烯 • 乙烯基 • 矽 • 鐵弗龍 負(Negative) 正(Positive) • 空氣 • 人手 • 玻璃 • 毛髮 • 石英 • 尼龍 • 羊毛 • 絲綢 • 鋁 • 紙 • 棉

  5. 典型的ESD電壓 溫度：21℃

  6. 隱 藏 的 危 險 =>靜 電 放 電 • 原因 : 電位不同物體間的電荷移轉 不一定伴隨有電弧或火花發生 • 一般人體可以感受到的靜電電壓約為 3 k v以上 ; 當靜電電壓低於此值時 , 許多半導體元件依舊非常容易受到靜電放電而致損壞

  7. ESD 對 IC 的威脅 人體 .. 直接充電或放電° * 電壓範圍 : 數百伏特到30KV 機器 .. 裝配 , 測試 , 蓋印及機械手臂 環境 .. 運輸 , 儲存 , 製造及使用 * 電壓範圍 : 數千伏特°

  8. 靜電放電的模型 # 人體帶電模型( Human Body Model , HBM )------(2kv) # 機器帶電模型( Machine Model , MM ) (測試機台,自動插件機,SMT機台)------ -------(200V) # 元件帶電模型( Charged Device Model , CDM )------(1KV)

  9. 元件帶電模型( CDM ) ● 現代自動化組裝之製造環境中最重要 的ESD模型。造成ESD故障的主要原因 ●CDM Event 的來源 測試機台,自動插件,IC的包裝及運送過 程產生) 1. 在 1ns (毫微秒)內電流可上升到15A(1KV) ，放電時間在 10 ns 以下。 2. 在高頻時、電容幾乎可以視為短路，因此CDM 電流會由Gate Oxide 放電。

  10. 電子元件 ESD 故障之構因 • 功率相關：熱崩潰、金屬熔融…… • 電壓相關：介電質崩潰…… • 潛在性故障：功能劣化…… (閘極退化、保護電路損害、放電抑制、PN接面退化、間歇性的失效) Power = IESD * VOperating

  11. ESDS元件敏感等級--- HBM ESD STM5.1-1998 EIA/JESD22-A114-B:2000 Class Voltage Range Class 0 <250V Class 1A 250V ~ < 500V Class 1B 500V ~ < 1000V Class 1C 1000V ~ < 2000V Class 2 2000V ~ < 4000V Class 3A 4000V ~ < 8000V Class 3B ≧8000V

  12. ESDS元件敏感等級--- MM ESD STM5.2-1999 EIA/JESD22-A115-A:1997 Class Voltage Range Class M1(A) < 200V Class M2(B) 200V ~ < 400V Class M3(C) ≧400V

  13. ESDS元件敏感等級--- CDM EIA/JESD22-C101-A:2000 Class Voltage Range Class I < 200V Class II 200V ~ < 500V Class III 500V ~ < 1000V Class IV ≧ 1000V ESD STM5.3.1-1999 Class Voltage Range Class C1 < 125V Class C2 125V ~ < 250V Class C3 250V ~ < 500V Class C4 500V ~ < 1000V Class C5 1000V ~ < 1500V Class C6 1500V ~ < 2000V Class C7 ≧2000V

  14. IC 的 ESD 規格 HBM MM CDM 〝Okay〞±2KV±200V±1KV 〝Safe〞±4KV±400V±1.5KV 〝Super〞±10KV±1KV±2KV

  15. 靜電防制專有名詞 * Surface Resistance [ 表面電阻] 以二個電極放置於一材料表面上，加以一直流電壓(V) ，量 測其通過之電流值( I ) ，在計算出其電阻值( R ) ，其單位為 歐姆( Ω) 。 * Surface Resistively [表面電阻率] 均一材料的單位面積表面電阻，其單位為Ω/ square，其表面 電阻率與表面電阻間通常存在一比例，該比例與量測電極之幾何形狀有關。 * Volume Resistively [ 體積電阻率] 即電阻率或稱電阻係數其單位為Ω-cm。

  16. 靜電防制材料特性定義 * Conductive Materials [ 導電材料] 表面電阻率小於1×105Ω/square，或其體積電阻率小於1×104 Ω-cm的材料。[ △ < 1×104 or 1×105 ] * Static Dissipative Material 靜電消散材料 表面電阻率至少為1×105 Ω/square < △< 1×1012 Ω/square。 或體積電阻率至少為1×104 Ω-cm < △< 1×1011 Ω-cm 。 * Anti-Static Material 抗靜電材料 - 能抑制摩擦生電的材料。(ESDA ADV. 1.0) - 能抑制摩擦生電至200V以下的材料。(EIA-625) - 抗靜電材料並不需要量測其表面電阻率或體積電阻率來決 定其特性。

  17. 靜電防制材料特性定義 *Insulating Materials [ 絕緣材料] 表面電阻率大於1×1012Ω/square，或其體積電阻率大於1×1011Ω-cm的材料。 (EIA-625-1994 ; ESDA ADV 1.0-1994) *Static Shielding Material 靜電屏蔽材料 可防止元件遭受外界的靜電場破壞的一種防護屏障。 (EIA-625)

  18. 基 本 法 則 * 將工作區的所有導電物體接地，使其帶 電不超過50V。 * 用靜電電壓表確認工作區內的所有非導電物體帶電壓不超過300V ( or 200V)。 * 如果靜電無法避免，應確保靜電敏感零組件與帶電之表面保持足夠的距離。

  19. ESD問題的對策-1 • 搬運工具--若台車為絕緣輪 , 移動時易與 地面摩擦而累積靜電。 對策 : 更換為導電輪、拖鐵鍊(推高機不應行經舖有導電地板的區域) • 紙張、 紙製標籤--在常溫長濕下可視為抗靜電材料。 • 抗靜電衣--不易控管、 成本高。

  20. PCB台車 拖鐵鍊

  21. ESD問題的對策-2 • 手套的使用--靜電消散時間< 2 sec , 還要帶靜電環。 • 離子風扇--解決工作區內絕緣體的帶電問題。 • 無線靜電環--只對2KV以上的靜電有效。 • 導電地墊：可用於無導電地板的工作區 ，並搭配導電鞋。

  22. 靜電環測試 * 功能 : 主要為防止HBM對於ESDS元件的破壞 * 型式 : 金屬、紡織品 : 錶帶式、鬆緊帶式、 黏帶式 * 安全性 : 必須要有限流電阻(通常約為1MΩ, 250V,1/4W)來保護人體安全，接地線與靜電環分離的拉力為 1-5 lb 。 若無限流電阻則必須以紅色標示 * 接地導線阻抗 : 必須小於1.25MΩ< 30V * 環帶阻抗 : 1MΩ ±20%

  23. 靜電環 1MΩ * 接地導線阻抗 : 必須小於1.25MΩ@< 30V

  24. 靜電帶導電絲 * 環帶阻抗 : 1MΩ ±20%

  25. 靜電環測試實例

  26. 靜電鞋套and拖鞋

  27. 靜電鞋

  28. 靜電鞋測試器規格

  29. 靜電環測試器規格

  30. ESD問題的對策-3 * 靜電接地(工作檯面及作業人員) - 目的：使工作人員在同一電位上 / 地椿 / 建築物的金屬結構 / 金屬水管 - 建議：與市電地線間的電位差不要超過5V， 或阻抗不超過25 Ω。 - 人員防護：考慮人員碰觸電源時，通過人體 電流，故必須要有1M限流電阻。

  31. 接地系統-1 • ESD S6.1 * 主要目的: 將靜電防護設施接地，提供一個路 徑使靜電消散材料、導電材料及個人接地設備 在同一個電位上，減少ESDS元件受到破壞。 * 人員安全防護: 考慮人員碰觸電源時，通過人 體的電流。故接觸人體的接地系統必須要有限 流電阻。

  32. 接地系統-2 * 靜電放電接地 : 能夠使靜電產生源(人或物)有 放電的路徑 * 實接地 : 電子線路或設備和大地連接的導電接 點(零電位差) 。

  33. 一般工作檯接地系統 • ESD 接地點的量測 * DC毆姆計 : 量測範圍0.1Ω~1MΩ ±10%，開 路電壓必須大於1.5V。 * ESD共地點到ESD 防護材料或設備必須小於 1Ω(如果有保護電阻則必須加上其值)。 * ESD 共地點到Equipment Ground必須小於1Ω。

  34. ESD保護墊 導電扣 共地點 接地線 靜電手環插孔 工作檯接地系統

  35. 工作檯表面的量測 • ESD S4.1-1997 * 主要目的 : 使用標準的量測設備，量測靜電放 電防護工作表面之表面電阻質以評估其特性。 * 其他標準 : ASTM F150 and NFPA 99 * 測試設備 : 1. 可提供100V和10V測試電壓，誤差在 10%以內的高電阻計，量測範圍由 10KΩ~100GΩ 。 2. 2只5 lb.直徑2.5”的測試電極。

  36. 工作檯表面的量測 Resistance Point-to-Point (≧1M Ω) 高電阻計 高電阻計 Resistance to ground (1×106 Ω to 1×109 Ω) 距離 10”

  37. 固定式工作檯 接地扣

  38. 活動式工作檯

  39. 地面材料電阻特性測試 • ANSI ESD S7.1-1994 * 測試目的 : 量測地面材料的電阻特性(其量測 結果為非電阻率)。 * 靜電防護地板須配合靜電防護鞋、鞋環、輪子 及裝載器具使用。 * 其他標準 : ASTM F150 , NFPA 99 and DIN 51953 * 測試設備 : 1. 可提供100V和10V誤差在10%以內的高電阻 計，量測範圍由10KΩ~100GΩ 。 2. 2只5 lb.直徑2.5”的電極。

  40. Resistance Point-to-Point (≧1M Ω) 高電阻計 高電阻計 Resistance to ground (1×106 Ω to 1×109 Ω) 地面材料的量測 1. Resistance to Ground每5000 Sq. ft (464.5m2)必須測試五點。 2. Resistance Point-to-Point每 5000 Sq. ft 必須測試五區，每區測 試點間的距離應至少為36” 。

  41. 表面電阻(率)測試 * 測試目的 : 量測一個ESDS包裝材料的表面電 阻率,來評估其靜電防護的特性。 * 標準 : ASTM D-257 , ANSI ESD S11.11-1993 * 測試設備 : 1. 可提供100V和10V誤差在10%以內的高電阻 計，量測範圍由1KΩ~10TΩ之電極 。 2. 測試時間為10TΩ檢查5次之穩定時間平均 值加5秒。

  42. 高電阻計 1KΩ~10TΩ 表面電阻(率)測試

  43. 靜電消散時間測試 * 測試目的 : 評估靜電防護材料被間接或直接充電後,其電荷自然衰退所需的時間。 * 標準 : FTS101C,4046.1, EIA-541 * 測試設備 : 1. 可充電至±5kv再放電至50V,正負各執行3次 。 2. 放電時間不得大於2秒。

  44. 抗靜電材料-1

  45. 抗靜電材料-2

  46. 抗靜電材料-3

  47. 靜電消散材料

  48. 靜電放電屏蔽測試 * 測試目的 : 決定靜電放電屏蔽袋的效果。 * 標準 : EIA-541,ANSI ESD S11.31-1994 * 測試設備 : 1. 可提供1KV電壓,放電RC迴路200pF,400KΩ 測試器。 2. 放置時間48~72小時。

  49. 靜電屏蔽材料

  50. 靜電防制作業測試標準 * U.S. Military/Department of Defense (美軍規範) * ASTM American Society for Testing and Materials * NFPA National Fire Protection Association * JEDEC Joint Electron Device Engineering Council * IEC International Electrotechnical Commission * ESDA ESD Association

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