《防静电讲》PPT课件.ppt
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1、电子产品生产的静电防护,刘显文 2011、08、19,1、静电和静电现象2、静电的危害3、电子产品生产的静电防护4、静电防护管理5、静电防护设备6、静电防护标准,1、静电和静电现象,从一些静电现象说起:在空气干燥的季节,当你开门时偶尔会有电击的感觉,这就是静电放电()。当你感觉电击时,你身上的静电电压已超过伏!当你看到放电火花时,你身上的静电已高达伏!当你听到放电声音时,你身上的静电已高达伏!,但是现代许多高速超大规模集成电路碰到仅几十伏或更低的静电就会遭到损坏。也就是说当你接触这些电路时,你既没有感觉到又没有看到更没有听到静电放电时,这块电路就已部分损伤或完全损坏,而你可能还在找其硬件或软件
2、的原因。在上个世纪中叶以前,静电现象就如同科技馆中的表演,只是一种有趣的物理现象;然而现在,静电已成为高科技现代化工业的“杀手”。,关于静电的术语:,1、静电放电 electrostatic discharge(ESD)两个具有不同静电电位的物体,由于直接接触或非接触时静电场感应击穿其间介质而进行的静电电荷转移的现象。2、静电敏感器件 static sensitivity device(SSD或ESDS)对静电放电敏感的器件。(静电放电敏感度)3、静电泄放 electrostatic leakage 将静电荷安全传导到地。4、导体材料 conductive material 一种容易将静电导入
3、地下的材料。表面电阻(系数)106或更小。,5、静电耗散材料 electrostatic dissipative material 一种慢慢把静电导入地下的材料。表面电阻(系数)106109。6、防静电材料 antistatic material 一种实际上不产生静电的材料。表面电阻(系数)1091012。7、绝缘材料 insulate material 一种不能将静电导入地下的材料。表面电阻(系数)1012 或更大。8、防静电工作区ESD protected area(EPA)配备各种防静电设备和器材,能限制静电电位、具有确定边界和专门标记的适于从事静电防护操作的场所。,9、静电放电敏感度(
4、ESDS),静电材料:指摩擦生电产生超过100V电压,并且将产生的电压保持10秒以上的材料。静电导电材料:表面电阻系数小于105。静电耗散材料:表面电阻系数大于或等于105但小于1012。静电绝缘材料:表面电阻系数在1012以上的材料。,电阻和电阻率:这是静电控制技术中最关键的两个概念,它们经常混淆,不仅被用来表示材料,还用于描述评估材料的测试方法。体电阻系数:指某材料单位厚度上的直流压降与单位面积上通过的电流之比。体电阻系数是材料的基本参数之一,表示其导电性能,单位为欧姆/厘米。表面电阻系数:该参数用于厚度一定的薄膜材料,其定义为表面上单位长度的直流压降与单位宽度流过电流之比。它指正方形两对
5、边之间的阻值,只要面积远远大于薄膜厚度,则该阻值与正方形的大小无关。表面电阻率的单位是欧姆。电阻:从另一方面表示不同形状(面积和长度)和电阻率的材料对电流的阻碍作用,它同时表明材料的表面或表面与地之间的电路连通性以及物体的放电能力,单位是欧姆。表面电阻:根据EOS/ESD S11.11“静电释放平面材料的表面电阻测量”中的定义,表面电阻是指材料某个面上两点间的直流电压与通过的电流之比,以欧姆表示。表面电阻值与材料的结构无关。体电阻:根据ESD DS11.12“静电释放平面材料的体电阻测量”中的定义,体电阻是指材料两端之间的直流电压与通过电流的比值,它的单位也是欧姆。绝缘材料:指表面电阻系数在1
6、1012欧姆或体电阻系数在11011欧姆/厘米以上的材料。绝缘材料的表面或内部基本上没有电流流动,它的电阻很大,难于接地。这种材料内的静电荷会在上面保留很长时间。导电材料:指表面电阻系数小于1105欧姆或体电阻系数小于1104欧姆/厘米的材料。这种材料电阻小,电子在其表面及内部流动非常容易,可流向任何接触到的其它导体或大地。放电材料:指表面电阻系数大于或等于1105而小于11012欧姆,或体电阻系数大于或等于1104而小于11011欧姆/厘米的材料。静电屏蔽材料:指导电层每毫米厚度的表面电阻系数小于1104欧姆,或体电阻系数小于1.0103欧姆/厘米的材料,采用这种材料制作的法拉第保护罩可防止
7、静电敏感器件受到静电的影响。抗静电性:通常指材料抑制磨擦起电的特性。材料的抗静电性与其电阻或电阻率没有必然的联系。,2、静 电 的 危 害:,在电子工业领域,由于ESD的影响,美国每年造成的损失约100亿美元,英国每年损失为35亿英镑,日本不合格的电子器件中有70%是由静电引起。在我国,因静电造成的损失也很严重。,49%的电路故障是由静电引起!,静电吸附尘埃,产生短路现象,导致电器损坏。静电放电造成电磁干扰,引起电子设备的故障或误动作。静电放电击穿集成电路和精密电子元件,形成软击穿或硬击穿故障,破坏系统正常工作。引发爆燃事故对人体造成电击不适感甚至引发事故。,由静电引起元器件的击穿是电子装备中
8、静电危害的主要方式,是电子装备制造中最普遍、最严重的危害。静电放电可能造成器件硬击穿或软击穿。硬击穿是一次性造成器件的永久性失效,如器件的输出与输入开路或短路。软击穿则可使器件的性能劣化,并使其指标参数降低而造成故障隐患。由于软击穿可使电路时好时坏(指标参数降低所致),且不易被发现,给整机运行和查找故障造成很大麻烦。软击穿时装备仍能带病工作,性能未发生根本变化,很可能通过出厂检验,但随时可能造成再次失效。多次软击穿就能造成硬击穿,使电子装备运行不正常。,静电对电子产品损害的四种形式,吸尘(缩短寿命)放电破坏(完全破坏)放电产生热(潜在损坏)放电产生电磁场(电磁干扰),静电对电子产品损害的五个特
9、点,隐蔽性人体不能直接感知静电,除非发生静电放电,但是发生静电放电人体也不一定能有电击的感觉,这是因为人体感知的静电放电的电压要达23kV,所以静电具有隐蔽性。潜在性器件在受到ESD后并不马上失效,而会在使用过程中逐渐退化或突然失效,这时的器件是“带伤”工作,但多次累加放电会给器件造成内伤而形成隐患。由于潜在损伤的器件无法鉴别和剔除,一旦在上机应用时失效,造成的损失就更大。随机性静电的产生和放电具有随机性,其损坏也具有随机性。一个元器件从生产、包装、贮藏和运输,一直到使用的整个过程中都可能遭受静电的危害。,复杂性静电对电子器件影响的存在于产品的整个生命周期,其损伤形式、原因和程度具有复杂性。损
10、伤的失效分析工作,因电子产品的精、细、微小的结构特点而费时、费事、费钱,技术要求高,需要使用高精密仪器。即使如此,有些静电损伤也难以与其它原因造成的损伤加以区别,使人误把静电损伤失效当作其他失效。严重性静电放电问题表面上只影响了的用户,但实际上影响了电子行业的整个产业链,如:元器件质量问题、电子产品质量问题、产品维修及公司的声誉等等。,电子工业哪些过程会产生静电危害?,元件制造过程:切割、连线、检验电子产品生产过程:电子原件储存、装联、测试、运输设备使用过程:安装、试验设备维修过程:拆卸、检验,从元件的制造、产品使用到维修的任一环节,静电已成为电子工业的隐形的致命杀手。,在科学技术不断提高、经
11、济全球化步伐日趋加快的今天,静电已成为人类的大敌!近期美国公布了涉 及10多个行业的因静电造成的损失调查结果,平均每年的直接经济损失高达200多亿美元,仅电子工业部门每年因静电危害损坏电子元件的损失高达100多亿美元。在美国的历史纪录当中,2001年9.11恐怖袭击事件给美国所造成的经济损失是最为惨重的,总共造成的经济损失达到了207亿美元,也就是说静电相当于使美国每年发生一次“9.11”事件或每年发生一次洛杉矶大地震!,静电对电子产品的损害形式 静电的基本物理特性为:吸引或排斥;与大地有电位差,会产生放电电流。这三种特性能对电子元件的影响:静电吸附灰尘,降低元件绝缘电阻(缩短寿命)。静电放电
12、破坏,使元件受损不能工作(完全破坏)。静电放电电场或电流产生的热,使元件受伤(潜在损伤)。静电放电产生的电磁场幅度很大(达几百伏/米)频谱极宽(从几十兆到几千兆),对电子产器造成干扰甚至损坏(电磁干扰),人体静电电位(放电)和静电感度的关系,静电源在工作环境中,主要的静电源有:人体(移动静电源),人在活动时产生的静电电压从几千伏到几万伏不等。地板、工作台面、鞋、服装、普通塑料包装袋、文件袋、泡沫包装盒,没有静电防护的印制电路板、未接地电烙铁和吸锡器等。打印机、复印机、变压器、发电机等,工作时会产生感应静电。,人 体 放 电 模 型 HBM,有多种模型可以用来表述器件如何受到损害,如人体模型(H
13、BM)、机器模型(MM)、带电器件模型(CDM)以及电场对器件的影响等。对于自动装配设备而言,主要考虑后三种损坏模型(模式),我们在下面分别进行讨论。,机器模型/模式 自动装配设备使用导轨、传动带、滑道、元件运送器和其他装置来移动器件使之按工艺要求的方向运动,如果设备设计不当,传动带和运送系统上可能会积累大量电荷,这些电荷将在工艺过程中通过器件泄放。设备部件通过器件放电就称为机器模型/模式。,带电器件模型/模式 如果一个器件因某种原因累积了电荷并与一个带电少的表面相接触,电荷就会通过器件上的导电部分泄放。当器件向其他材料放电时,就称为带电器件模式,用带电器件模型表示。,人体模型的建立,电容为1
14、00PF,电阻为1.5K,GJB1649,R,C,人体模型放电电流波形,人体模型放电电压与峰值电流的关系,Ip是电流波形检测过程中流过R的峰值电流,大约为Vs/1500.,静电敏感元器件主要有:二极管,三极管,IC(SOP,QFP,PLCC),SOT类元件,BGA,PCBA半成品等等。,静电敏感元器件(ESDS)是指对静电反应敏感的器件,ESDS:ESD-Sensitive Device。,电子产品中的静电敏感元器件有哪些?,器件所能承受的静电电压,敏感度分类,为定量描述元件的静电敏感程度进行分类大部分敏感度实验都是以人体模型为依据,组件设计应用能为最敏感的元器件提供最低2000V的静电放电
15、设计保护整机设计应能为最敏感的元器件提供最低4000V的设计保护,人体静电的电压值,不同湿度下各种操作时的人体电位,器件,人体静电电压,几百到几千伏,几千到几万伏,生产产所中的静电危害源,静电是如何产生的,任何两个不同材质的物体接触后再分离即可产生静电。摩擦的实质是一种接触分离过程。当带电物体接近不带电物体时会感应静电。大部分器件的静电破坏电压都在几百伏至几千伏,而在干燥的环境中人活动所产生的静电电压可达几千伏到几万伏。,静电产生的机理,摩擦起电1、接触2、分离 3、感应摩擦起电的实质:接触分离起电。任何不同材质的物质接触后再分离,即可产生静电。,静电是如何产生的,接触分离起电 摩擦起电摩擦实
16、质上是一种接触分离造成正负电荷不平衡的过程。工作中接触到的物体有:桌面、地板、椅子、衣服、电子元件、包装材料、仪器设备、料盒、机器、纸张、流动空气等等。为什么流动空气会产生静电呢?加温室内为何要放水?,静电可因多种原因而发生,例如物体间的摩擦、电场感应、介质极化、带电微粒附着等许多物理过程都有可能导致静电。,感应静电起电,当带电物体A接近不带电物体C时在导体C的a端和b端分别感应出负电和正电,A,+,C,a,一 一 一,+,b,_,B,当一个带静电的人,如经理、领班、工程师、来宾 突然靠近您,会有什么静电危害?,其他起电方式,热电起电压电起电断裂起电电解带电亥姆霍兹层喷射起电,3、静电防护:,
17、ESD防护的意义 1、减少损失(美国一年的损失200多亿美 金,其中电子工业的损失超过100多亿 美金)2、提高产品质量和可靠性 3、提高生产效率 4、静电防护回报达1:95以上,1、控制静电生成环境(尽量减少静电荷 的产生)2、及时泄放静电(对已产生的静电荷尽 快予以消除)3、及时中和静电(对已产生的静电荷尽 快予以消除)4、静电屏蔽(避免静电损害),静电防护的方法,抑制 疏导 中和 屏蔽,提高元器件、组件(线路板)及整机的抗静电能力在操作等过程中控制静电,使其不能达到危害的程度,控制静电生成环境(尽量减少静电荷的产生),抑制:设计合理工艺过程,对工艺流程中材料的选择、设备安装和操作管理等过
18、程采取预防措施,抑制静电的产生和电荷的聚集,以及采用接地的静电屏蔽罩对高压电源产生的静电场和某些对静电极敏感元器件进行感应静电的屏蔽隔离,使危害降到最低程度。,避免静电的产生 对有可能产生静电的地方要防止静电荷的聚集。即采取一定的措施避免或减少静电放电的产生。,在不影响产品质量的前提下适当加大生产环境湿度。,人体静电的电压值,不同湿度下各种操作时的人体电位,电子工业产品的生产和产品的存储环境湿度一般应该在40%以下 锡膏印刷机环境的温湿度 需在温度23度27度,湿度在30%RH60%RH才能达到锡膏的最优性能。电子器件的装配间、精密仪器测量间等,出于控制产品极间短路、漏电等情况的发生和保证测试
19、结果准确性的需要,其湿度不允许过大,通常要求将环境湿度控制在45%75%之间。SMT车间内温度、相对湿度要求:温 度:242湿 度:6010%RH,由于湿度增加则非导体材料的表面电导率增加,使物体积蓄的静电荷可以更快地泄漏。因此对有静电危险的场所,在工艺条件许可时,可以安装加湿器等以提高空气的相对湿度,消除静电。一般情况,用增湿法消除静电的效果是很明显的。,在不影响产品质量的前提下适当减小生产环境温度,湿度与温度对静电放电都有影响。在某一有限空间中,对于含有相同水分的空气来说,热空气更能吸收更多的湿气,这样它的相对湿度就更低。也就是说,在同一个大环境中,温度较高的区域会比温度低的区域相对湿度更
20、小。,尽量使用静电导电材料和静电耗损材料。,静电材料:指摩擦生电产生超过100V电压,并且将产生的电压保持10秒以上的材料。静电导电材料:表面电阻系数小于105。静电耗散材料:表面电阻系数大于或等于105但小于1012。静电绝缘材料:表面电阻系数在1012以上的材料。,静电耗散材料 electrostatic dissipative material 一种慢慢把静电导入地下的材料。表面电阻106109。防静电材料 antistatic material 一种实际上不产生静电的材料?。表面电阻1091012。绝缘材料 insulate material 一种不能将静电导入地下的材料。表面电阻10
21、12或更大。防静电工作区ESD protected area(EPA)配备各种防静电设备和器材,能限制静电电位、具有确定边界和专门标记的适于从事静电防护操作的场所。,(1)使用防静电材料:金属是导体,因导体的漏放电流大,会损坏器件。另外由于绝缘材料容易产生摩擦起电,因此不能采用金属和绝缘材料作防静电材料。而是采用表面电阻l105cm以下的所谓静电导体,以及表面电阻1105-1108cm的静电亚导体作为防静电材料。例如常用的静电防护材料是在橡胶中混入导电碳黑来实现的,将表面电阻控制在1106cm以下。(2)泄漏与接地:对可能产生或已经产生静电的部位进行接地,提供静电释放通道。采用埋大地线的方法建
22、立“独立”地线。使地线与大地之间的电阻10。(参见GBJl79或SJT106941996)静电防护材料接地方法:将静电防护材料(如于作台面垫、地垫、防静电腕带等)通过1M的电阻接到通向独立大地线的导体上(参见SJT10630-1995)。串接1M电阻是为了确保对地泄放5mA的电流,称为软接地。设备外壳和静电屏蔽罩通常是直接接地,称为硬接地,防静电材料从防静电原理方面可以分为:导静电材料、静电耗散材料(抗静电材料)。GB12158-1990防静电事故通用导则和GJB3007-1997防静电工作区技术要求对导静电材料、静电耗散材料(抗静电材料)均有规定。2种材料可以从导电性上加以区分:导静电材料:
23、表面电阻R S1105、体积电阻RV1104。静电耗散材料:表面电阻1105R S11012、体积电阻1104RV11011。通常静电耗散材料制备的防静电用品(用具),使用在有220伏(或380伏)交直流强电的工作场所,这对操作人员能提供安全保护。而导静电材料用于没有强电对人体造成伤害的场合。,地面、桌、椅、桌面、工作服、工作鞋、工作帽、手套,及时泄放静电(对已产生的静电荷尽 快予以消除),疏导:通过接地,使静电即时向大地泄放,达到降低和消除静电的目的,泄放与接地 对可能产生或已经产生静电的部位进行接地,提供静电释放通道。采用埋大地线的方法建立“独立”地线。使地线与大地之间的电阻10。(参见
24、GBJ179 或 SJ/T10694-1996)将静电防护材料(如工作台面垫、地垫、防静电腕带等)通过1M的电阻接到通向独立大地线的导体上(参见 SJ/T10630-1995)。串接1M电阻是为了确保对地泄放5mA 的电流,称为软接地。设备外壳和静电屏蔽罩通常是直接 接地,称为硬接地。,静电接地相关术语地 任何一点的电位按惯例取为零的大地或导电物质。接地 电气连接到能提供或接受大量电荷的物体上(如在地、舰船或运载工具金属外壳等)。(静电)接地 将金属导体(通过接地极)与大地进行电气上的连接,使金属导体的电位接近大地电位的措施。,静电接地相关术语硬接地 a、直接接地或通过一个低阻抗同地相连。b、
25、通过一个具有很小或几乎为零电阻(阻抗)的导线或其他导体与地连接。软接地 通过足够的阻抗接地,把电流限制在人身安全的电平(通常为5mA)之下。软接地所需要的阻抗取决于靠近接地点的人员可能接触的电压电平。直接接地 将金属体与大地进行导电性连接的一种接地方式。,静电接地相关术语间接接地 为使金属以外的物体进行静电接地,将其表面的全部或局部与接地的金属体紧密相接的一种接地方式。人体接地 通过使用导电垫、导电地面、导电鞋或其他各种接地用具使人体与大地保持通导状态的措施。(静电)连接 将彼此间没有良好导电通路的物体导电性连接,使相互间大体上处于相同电位的措施。,接地 接地就是直接将静电过一条线的连接泄放到
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