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ESD 專題報告

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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

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影 響 摩 擦 生 電 電 量 的 因 素

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材料的影響 正 (Positive)

• 空氣 • 人手 • 玻璃 • 毛髮 • 石英 • 尼龍 • 羊毛 • 絲綢 • 鋁 • 紙

• 棉

正 (Positive)

• 空氣 • 人手 • 玻璃 • 毛髮 • 石英 • 尼龍 • 羊毛 • 絲綢 • 鋁 • 紙

• 棉

• 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)

• 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)

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溫度: 21℃溫度: 21℃

典型的 ESD 電壓

在人造地毯上走動 35 1.5坐離發泡椅墊 18 1.5拿起聚乙烯塑膠袋 20 0.6在地上滑動苯乙烯材質的箱子 18 1.5移除PC板上的Mylar膠帶 12 1.5PC板上的收縮膜 16 3作動真空吸錫器 8 1噴電路冷凝噴霧劑 15 5

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• 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

• 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

隱 藏 的 危 險 => 靜 電 放 電

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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 °

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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)

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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 n

s

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。

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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

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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 8≧ 000V

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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) 4≧ 00V

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ESDS 元件敏感等級 --- CDM 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 20≧ 00V

EIA/JESD22-C101-A:2000

Class Voltage Range

Class I < 200V

Class II 200V ~ < 500V

Class III 500V ~ < 1000V

Class IV ≧ 1000V

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IC 的 ESD 規格

HBM MM CDM

〝 Okay 〞 ±2KV ±200V ±1KV

〝 Safe 〞 ±4KV ±400V ±1.5KV

〝 Super 〞 ±10KV ±1KV ±2KV

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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 。

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靜電防制材料特性定義* Conductive Materials [ 導電材料 ] 表面電阻率小於 1×105 Ω/square ,或其體積電阻率小於 1×10

4

Ω-cm 的材料。 [ < 1×10△ 4 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。

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靜電防制材料特性定義

* Insulating Materials [ 絕緣材料 ] 表面電阻率大於 1×1012 Ω/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)

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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。

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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。

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PCB 台車

拖鐵鍊

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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。

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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%

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靜電環

* 接地導線阻抗 : 必須小於 1.25MΩ@< 30V

1MΩ

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靜電帶導電絲* 環帶阻抗 : 1MΩ ±20%

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靜電環測試實例

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靜電鞋套 and 拖鞋

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靜電鞋

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靜電鞋測試器規格

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C O R P O R A T I O N

1.0 用途

靜電環測試用.

2.0 規格與精度

精 度項目 範圍

規格一

3.0 校驗依據

Hakko 498 靜電測試器校驗方法

受 校 驗 儀 器 校 驗 用 標 準 器

項目 校驗點 判定精度 管理編號 廠牌型式 儀器名稱 精度

備註

( 規格一

) 電阻值

Low500kΩ

High10MΩ

<500kΩLow

Good 500kΩ~10MΩ

±10%

High >10MΩ

±10%

2.1

Low800kΩ

High9MΩ

( 規格二

)電阻值

1046 Fluke 83 DigitalMultimeter

±(1%Rdg+3Dgt)

±(0.4%Rdg+1Dgt)

±10%

±(0.4%Rdg+1Dgt)

±(1%Rdg+3Dgt)

2.2 規格二

項目 範圍

<800kΩLow

Good 800kΩ~9MΩ

High >9MΩ

靜電環測試器規格

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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。

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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。

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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 ) 。

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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 。

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共地點

ESD 保護墊

導電扣

接地線 靜電手環插孔

工作檯接地系統

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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。

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工作檯表面的量測

高電阻計

Resistance Point-to-Point( 1M ≧ Ω)

高電阻計Resistance to ground

(1×106 Ω to 1×109 Ω) 距離 10”

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固定式工作檯

接地扣

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活動式工作檯

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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。

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地面材料的量測

高電阻計

Resistance Point-to-Point( 1M ≧ Ω)

高電阻計

Resistance to ground(1×106 Ω to 1×109 Ω)

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” 。

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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。

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表面電阻 ( 率 ) 測試

高電阻計1KΩ~10TΩ

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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。

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抗靜電材料 -1

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抗靜電材料 -2

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抗靜電材料 -3

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靜電消散材料

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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。

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靜電屏蔽材料

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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