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1、Roger Shen,靜電防治訓練課程經驗分享,業務部,Rogher.Shen,內容大綱,靜電放電簡介 靜電放電的模型 ESD的影響 靜電防治專有名詞介紹 靜電防治材料定義 靜電防治基本法則ESDA測試標準及介紹,Rogher.Shen,靜電放電簡介,靜電是甚麼?原因剝離,摩擦,感應機制-物質因失或得到電子而帶電,Rogher.Shen,影響摩擦生電電量的因素,摩擦頻率,物質材料,相對濕度,接觸面積,Rogher.Shen,常用的數量級符號,數量級 全名 符號1012 Tera T109 Giga G106 Mega M103 Kilo K10-3 Milli M10-6 Micro 10-9
2、 Nano N10-12 Pico P,Rogher.Shen,典型的ESD電壓,Rogher.Shen,靜電放電的模型,人體帶電模型(Human Body Medel,HBM)Discharge to the Device機器帶電模型(Machine Model,MM)Discharge to the Device元件帶電模型(Charaged Device Model,CDM)Discharge from the Device,Rogher.Shen,(Human Body Medel,HBM),模擬由站立人體之手指尖端放電至元件的現象,Rogher.Shen,(Machine Model
3、,MM),70年代,日本人認為HBM不足以代表worst-case而提出,適用於自動組裝之製造環境MM的電容值較HBM大,因此MM儲存的電荷較多R很小因此電流較大,速度較快,Rogher.Shen,(Charaged Device Model,CDM),現代自動化組裝製造環境中最重要的ESD模型-觀念簡單,再生困難-速度快,難保護CDM Event 的來源-測試機台-SMT-IC的包裝,Rogher.Shen,ESD的三種模型,HBM與MM人體,機器或環境帶電-HBM是最古老且最常發生的模式,但並非最嚴重的危害模式-MM造成的故障與HBM類似但電壓卻遠低於HBM,速度亦較HBM快CDM元件帶電
4、-模擬一帶電元件經由一腳接地而放電的現象造成ESD故障的主要原因-電流上升時間最快速,Rogher.Shen,ESD的影響,ESD事件因局部高溫或電位差造成半導體元件的破壞ESD基本上就是一種熱效應可能發生在製程中或使用中的任何階段成本問題,客戶抱怨,商譽的損失,Rogher.Shen,電子元件ESD故障之構因,功率相關:熱崩潰,金屬熔蝕-Power=IESD Voperating電壓相關:介電質崩潰潛在性故障:功能劣化,Rogher.Shen,靜電防治專有名詞介紹,ESDS(Electrostatic Discharge Sensitive)Item靜電放電敏感零組件對於靜電放電敏感(易被E
5、SD破壞)的元件.組件或模組SSZ(Static-Safe Zone)靜電安全區域內部任一點均符合Basic Rule之要求的區域SSW(Static-Safe Workstation)靜電安全工作站Esd Protective Workstation(SSW)靜電放電防護工作站內涵ESDS Item的特定工作區域.必須符合SSZ之要求.通常其犯較小如SMT線.手插件區.測試區.重工區SSP(Static-Safe Package)靜電安全包裝 Esd Protective Package(SSP)靜電放電防護包裝能夠限制摩擦生電.屏蔽靜電場或免除靜電放電對ESDS元件產破壞的包裝,Roghe
6、r.Shen,靜電防治專有名詞介紹,ESD Protective Area 靜電放電防護區域(EPA)內涵ESDS Item的大範圍工作區域.所有人員進入時皆應穿戴適當之接地設備.且所有行為亦須遵守其相關規定Triboelectric Charging 摩擦生電當兩種材料接觸摩擦(Friction)或剝離(Separation)時其表面產生靜電荷的現象,Rogher.Shen,靜電防治專有名詞介紹,Surface Resistance 表面電阻以二個電極放罝於一材料表面上,加以一直流電壓(V),量測其通過之電流值(I),再計算出其電阻值(R),其單位為歐姆().Surface Resistiv
7、ity 表面電阻率均一材料的單位面積表面電阻,其單位為/square,表面電阻率與體積電阻率間通常存在一比例,該比例與量測電極之幾何形狀有關Volume Resistivity 體積電阻率 即電阻率或稱電阻係數其單位為-CM,Rogher.Shen,靜電防治材料定義,Conductive Materials導電材料表面電阻率小於1x 105/square,或其體積電阻率小於1x 104-CM(ESD ADV 1.0,EIA-628-1994,MIL-263B)Static Dissipative Material靜電消散材料表面電阻率至少為1x 105/square且小於1x 1012/squ
8、are,或其體積電阻率至少1x 104-CM為且小於1x 1011-CM(ESD ADV 1.0,EIA-628-1994,MIL-263B)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)-抗靜電材料並不須要量測其表面電阻率或體積電 阻來決定其特性.,Rogher.Shen,靜電防治材料定義,Insulating Material 絕緣材料 表面電阻率大於1x1012或其體電阻率大於1x1011的材料(EIA-625-1994);ESDA ADV 1.0-1994)Static Shi
9、elding 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),Rogher.Shen,靜電防治基本法則,將工作區的所有導電物接地使其帶電不超過50V以靜電壓表確認工作區內的非導電物體所帶電壓不超過300V(or200V)如果靜電場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,Rogher.Shen,ESD問題的對策,作業人員的頭髮-+8000V d-1m-以靜電壓表確認,距離皮膚表面5cm以內,因電壓抑制的效果,靜電 壓可降至+300以下作業人員的衣著-需要抗靜電衣嗎?(整齊洗衣與量測之成本)搬運工具-若台車為絕緣輪,移動時易與地面摩擦而
10、累積靜電 更換為導電輪-需注意污染問題 拖鐵鍊-堆高機不應行經舖有導電地板的區域,Rogher.Shen,ESD問題的對策,紙張.紙製標籤-在常溫常濕下,紙製品可視為抗靜電(Antistatic)材料,因此非光 面紙製品在工作區是可被允許的.(MIL-HDBK-263)手套的使用-潔淨室內的一般要求-靜電消散時間(Static-decay time)2 sec?(FED-STD-101,Method 4046)-量測其表面電阻率 Static Dissipative?-戴上手套後是否需要再戴靜電環?,Rogher.Shen,ESD問題的對策,離子風扇-解決工作區內絕緣體的帶電問題-使用Char
11、ged-plate monitor 評估 Discharge time&balance level成品/半成品在工廠內的運送-使用普通透明塑膠袋,半透明metalized塑膠袋,導電袋,或是鋁箔袋(.25mil as a Faraday cage)?-作放電測試(discharge test),以滿足自己的需求為原則.記得靜電安全包裝(SSP)並不一定必須滿足Faraday cage的條件.無線靜電環(Cordless Wrist Strap)-原理:Cormna discharge.-以靜電壓表實際量測人體帶電量-2KV(超過2kv既沒有用),Rogher.Shen,ESD問題的對策,導電地
12、墊-可使用於無導電地板的工作區,並搭配導電鞋-清潔用品之挑選靜電接地(工作檯面及作業人員)-目的:使作業人員在同一電位上 地樁 建物的金屬結構 金屬水管-建議:與市電地線間電位差不超過5V(rms);或阻抗不超過25歐姆.,Rogher.Shen,ESDA測試標準及介紹,靜電放電相關測試程序和標準U.S.Military/Department of Defense 美軍規範ASTM American Society for Testing and MaterialsNFPA National Fire Protection AssociationJEDEC Joint Electron Dev
13、ice Engineering CouncilIEC International Electrotechnical CommissionESDA ESD Association,Rogher.Shen,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1M,250V,1/4W)來保護人體安全,接地線與靜電環分離的拉力為1-5ib.DC75mA,AC 15mA若無限流電阻則必須以紅色標示(MIL-STD-202Method 2.5&Method 101)ESDA ESD S1.1測試方法接地阻抗-必須小於1.25
14、M30V環帶阻抗-1M 20%,Rogher.Shen,一般簡易測試方法,一般定期檢查(750K-10M)靜電環配戴檢查新品進料檢查(1M 20%)靜電環及接地線連接檢查,Rogher.Shen,接地系統,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.其他相關標準-ANSI/NFPA 70-1990-ANSI-IEEE Std 142-1982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,Rogher.Shen,接地系統,ESD Ground(Soft Groun
15、d)靜電放電接地能夠使靜電產生源(人或物)藉由路徑到接地的端點,排線,金屬線或其他接地系統.(EIA-625)Ground(Hard Ground)實接地藉由電子線路或特殊設備和大地(Earth)連接的導電接點.和大地(Earth)間具零電位差.,Rogher.Shen,一般工作接地系統,ESD 接地點的量測DC歐姆計:量測範圍0.1-1M+/-10%.開路電壓必須大於1.5VESD Common Point Ground(共地點)到Equipment Ground 必須小於1 ESD Common Point Ground到ESD Protective Materials and Devic
16、es(ESD防護材料或設備)必須小於1(如果有保護電阻則必須加上其值),Rogher.Shen,工作表面的量測,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值以評估其特性.其他相關標準ASTM F150NFPA 99測試設備可提供100V和10V測試電壓,誤差在10%以內的高電阻計,量測範圍由10K 100G 2只5lb直徑2-1/2“的測試電極,Rogher.Shen,工作表面的量測,測試時機1.環境和材料評估測試2.新配置的設備驗收3.定期的測試環境和材料評估測試-低濕度測試濕度12%3%R.H.:溫度23 1;預先放置時間48-72小時測試電
17、壓為10V/100V表面必須用70%的IPA清洗測試結果必須記錄最大,最小值測試樣品大小:10“X24”6個,樣品本身必須有二個接地點測試點:Resistance to ground and resistance top-tp-top,Rogher.Shen,工作表面的量測,環境和材料評估測試-低濕度測試濕度50%5%R.H.:溫度23 1;預先放置時間48-72小時測試電壓為100V表面必須用70%的IPA清洗測試結果必須記錄最大,最小值測試樣品大小:10“X24”6個,樣品本身必須有二個接地點測試點:Resistance to ground and resistance top-tp-to
18、p,Rogher.Shen,工作表面的量測,先將工作表面以70%的IPA清洗並風乾15分鐘後,方始進行量測Resistance to Groundable Point(s)測試電壓為100V,測試結果必須記錄最大最小值測試點分別為ABCDE五點-A.距離Groundable point(s)3”位置-B,C,D:距離每個角落2“位置-E:中心點Resistance Point-to-Point測試電壓為100V測試點如下-A:水平距離10“位置-B:垂直距離10“位置-C:左斜對角線各角落距離為2“-D:右斜對角線各角落距離為2“,Rogher.Shen,工作表面的量測,定期檢查不要清洗工作表
19、面,且移開所有ESDS元作以新配置驗收方法來量測Resistance to Groundable Point(s)以及Resistance Point-to-Point若測試不合格時,清洗後再重新測試建議允收標準 Resistance to Groundable Point(s):between 1x106 and 1x109 Resistance Point-to-Point 1M,Rogher.Shen,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(其量測結果為電阻值,而非電阻率)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相關測試標
20、準NFPA-99;ASTM-F150;DIN 51953測試種類環境和材料評估測試新舖設完成的驗收,Rogher.Shen,地面材料評估測試,測試條件樣品數:12“X24”5片,放置時間至少72小時清洗表面:使用70%IPA清洗待測表面測試電壓為:100V濕度:12%(3%)和50%(5%)R.H.溫度:23 1 測試設備可提供100V和10V誤差在10%以內的高電阻計,量測範圍可由10K-100G及2只重量5lb.直徑的2.5“的電極.電極表面為導電橡膠,其在金屬表面上的電阻必須小於1k(at 10V DC)測試結果必須記錄最大,最小值,Rogher.Shen,鋪設配置完成的驗收,測試前使用
21、70%IPA清洗電極並風乾Resistance to Groundable Point每5000sq.ft(464.5m2)必須測試五點Resistance Point-to-Point每5000Sq.ft必須測試五區,每區測試點間的距離應至少為36“(約120CM),Rogher.Shen,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.相關測試規範ASTM D-257(專為量測絕緣表面所設計的標準)ANSI ESD S11.11-1993(專為靜電消散表面所設計的標準),Rogher.Shen,ESD S11.11表面電阻(率)測試,使用500K
22、,1T Test fixture檢查並評估穩定時間測試樣品:6片,3“x5”(76x127 mm)雙面皆須測試高電阻1M 10 T之樣品,測試電壓為100V低電阻1K 1M之樣品,測試電壓為10V測試時間為1T檢查5次之穩定時間平均值加5秒,Rogher.Shen,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相關測試規範FTS101C,4046.1EIA-541,Rogher.Shen,靜電消散時間測試,測試條件樣品數:3“X5”6片測試環境條件:12%3%R.H.,23 3 測試電壓:充電至5KV,再放電至50V,正負各執行3次測試結果:36次量測結果之平均值不得大於2秒,
