静电放电（Electrostatic Discharge）

最近参加了一个ESD（静电放电）的培训，感觉不错，对于重要部分做了笔记。
培训的主要内容包括：

1. 什么是静电
2. 静电产生的原因
3. 静电的危害
4. 防静电解决方案
5. 生产防静电
6. 相关标准

什么是静电？
物质由原子构成，原子由原子核和电子构成，电子由于外力作用，会脱离原子A而进入其它原子B，从而使A原子带正电，B原子带负电，这种物体表面所带过剩或不足的相对静止不动电荷，称之为静电。

• 用静电测试仪测试各种材料所带静电的值，可比较在常态及摩擦后电压值的变化。

静电产生的原因?

• 由于人不停地运动导致身上容易带静电核
• 湿度对静电的影响。湿度较低时，静电电位高，湿度较高时，静电电位低。原因是湿度较高时，绝缘材料表面吸附了水分子(有时还有导电杂质)而降低了绝缘，便于静电泄漏。
• 不同的材料产生静电的大小不一样，合成材料、普通塑料和绝缘体更容易产生或存储静电。
• 静电放电。物体的静电电位不同，直接接触或静电感应会引起物体间的静电电荷转移。这是在静电场的能量达到一定程度后，会击穿其间介质而进行放电。

可以通过人体反应来估算静电电压范围：

静电的危害？

• 使电子元器件或组件失效，包括：
  • 即时失效（约占10%）指一次性造成电子元器件介质击穿或烧毁的永久性失效。
  • 延时失效（约占90%）造成器件的性能劣化或参数指标下降，仍可能通过所有检验和测试。但产品在使用中会过早出现故障和失效。
• 引起失效的原因
  • PN结软击穿，产品可靠性下降
  • 芯片内多晶硅或金属互连击穿，废品率上升
  • 芯片内引线击穿，废品率上升

静电敏感器件SSD（Static Sensitive Device）或者ESDS（ElectroStatic Discharge Susceptibility）的静电安全电压为30V。
下面是不同的元件类型与静电电压的对应关系：

下面是不同的静电产生环境及对应的静电电压：

下面是常见的静电源：

防静电解决方案

• 静电防护材料
  • 静电屏蔽材料，可防止静电释放穿透的材料(如包装袋)。
  • 抗静电材料，在使用中不会产生静电，但会被静电释放穿透(如地板)。
  • 静电消散材料，这类材料有足够的传导性，能使静电荷通过其表面消散(如鞋底)。
• 静电防护办法
  • 接地法
    • 导体接地，接地电阻应小于100欧姆。
    • 绝缘体接地，直接接地反而容易发生静电放电，应在绝缘体与大地之间保持106 ~ 109 欧姆的电阻（如静电手镯）。
  • 泄漏法
    • 增加空气的湿度可以降低绝缘体的绝缘性，增加静电通过绝缘体表面的泄放。
    • 采用导电橡胶或喷涂导电塑料效果也很好。
  • 中和法
    • 主要采用感应中和、离子风中和等方法将静电荷中和掉。
  • 工艺控制法
    • 从工艺流程、材料选用、设备安装和操作管理等方面采取措施，对静电加以控制。
  • 消除人体的静电
    • 穿戴防静电工作服和防静电鞋等。
• 防静电器材
  • 防静电工作台（EPA）
    
  • 防静电服
    • 防静电布料中含有一定比例的导电纤维，通过导电纤维的电晕放电和泄漏作用消除服装上的静电。
      
  • 防静电鞋、脚筋带（双脚都必须穿）
    
  • 防静电腕带（佩戴时紧贴皮肤）
    
  • 防静电手套、指套
    
  • 防静电地板、台垫
    
  • 防静电上下料架、周转箱
    
  • 防静电包装袋：该种材料由基材、金属镀膜层和热封层等复合而成，具有自身不产生静电和能屏蔽外界静电的功能。
    
  • 离子风机：主要由电晕放电器、高压电源和送风系统组成，可将空气电离后输送到远处，通过中和作用消除静电。根据释放出的离子极性分为单极性和双极性离子风机。
    
  • 设备接地电烙铁、吸锡枪等焊接设备必须接地，接地电阻应小于2欧姆，热头与地之间的电位差应小于2mV。工作区域可采用离子风机，中和静电的能力应大于250V/s。

生产防静电

• 静电标识
  • ESD敏感标志：不能直接用手拿
  • ESD保护标志：在ESD生产环境里操作
    
• 生产车间防静电要求
  • 根据产品生产等级要求，生产车间应配备相应的防静电设施，地线独立并接地可靠。车间内保持恒温、恒湿。划分静电安全工作区，并贴有明显的防静电警告标识。
  • 车间外的接地系统每年检测一次，车间的地板/垫、工作台等接地系统每半年检测一次，并做相应记录。
  • 车间内的温度、湿度分别控制在（25±2） ℃，65%±5%RH；每天测两次，并做相应记录。
• 生产前准备：
  • 穿防静电工作服。
  • 带好接地环（手腕带/脚腕带）。
  • 通过仪器测试。
  • 检查ESD装备是否完好。
• 操作注意事项，操作过程中：
  • 拿元件前双手触摸工作台面。
  • 将器件引脚向下放在消散静电的台面上。
  • 不要在任何表面上拖动或滑动。
  • 拿集成块的身体，而不是引脚。
  • 非导体应与静电安全工作区保持1米以上的距离。
  • 只有在静电安全工作区才将元器件及电路板从防静电包装盒中拿出。
  • 将静电敏感元器件放在抗静电容器内或包装盒中。
  • 将搬运次数减少到最低限度。
• 其他相关部门的防静电要求
  • 设计部门
    • 应熟悉SSD种类、型号、技术性能及其防护要求。
    • 应尽量选用带静电保护的IC。
    • 在线路设计时，应考虑静电抑制技术的应用，如静电屏蔽接地技术等。
    • 编制含有SSD的设计文件中，必须有警示符号。
  • 工艺部门
    • 对设计进行工艺性审查时，应审查设计文件的有关内容。
    • 编制防静电工程的专用工艺文件、指导性文件及有关制度。
    • 提出并检查所需要的防静电器材是否齐备。
    • 负责指导装配车间对部门防静电器材的应用及注意事项。
  • 物资部门
    • 对外购汇总表中有关SSD时，应会同设计和工艺部门共同选定生产厂家。
    • 供货时应明确SSD的包装以及运输过程中的防静电要求 。
  • 检验部门
    • 检验SSD器件的包装是否完整。
    • SSD的测试、老化筛选应在静电安全区进行。
    • 操作人员应穿防静电工作服/鞋 。

相关标准

• 电子产品防静电放电控制手册 GJB/Z105-98
• 集成电路防静电包装管 SJ/T10147-91
• Human Body Model (HBM) —— for devices
  • EIA/JESD22-A114-A
  • ANSI/EOS/ESD-S5.1-1993
  • MIL-STD-883 (method 3015)
• IEC 1000-4-2:1995 —— for systems
• Machine Model (MM) —— less common
  • EIA/JESD22-A115-A
  • ANSI/EOS/ESD-S5.1-1993
• Charge Device Model (CDM) —— less common
  • JESD22-c101