1、 什麼是靜電放電 (ESD) 嚴寒的冬天，當您脫下暖和的毛衣，您會聽到嗶嗶啪啪聲 乾燥的冷天，當伸手去開車門或窗戶，會感到觸電的感覺 用手去撫摸家裡的貓，您會發現貓竟然怒髮衝冠這些就是靜電瞬間洩放(ESD-Electro Static Discharge)所主導產生的現象. 其實靜電並不僅由人為才會產生，例如 空中對流的雲層 沙漠中隨風飄起的砂 靜電:物質表面經由某種過程(如摩擦)而失去電子或得到電,使 帶靜止的電荷謂之靜電,ESD 訓練教材,1, 靜電如何形成 靜電是史載最早發現的一種電 靜電其實是自從有人類以來，就影響著人類的生活 西元前 640年， 希臘哲學家 THACES 把琥珀(Am
2、ber)摩擦後發現可以吸附毛髮，而開始知道靜電的存在 靜電的形成 導 體 具有可移動的電子或價電子 (Valence Electrons) 在原子結構的最外層，亦即受原子核 (Nuclei) 的束縛最小，當受到外 來電場的吸引而移動 (產生電流) ，此類物質稱為導體 絕緣體 缺乏上述可移動的電子或價電子的物質，稱為絕緣体,2,ESD 訓練教材,以物体抗靜導電性來區分材質 導電性 (Conductive)材質: 表面店電阻係數在 105/square 以下 靜電衰減性(Static Dissipative)材質:表面電阻係數介於105 109 /square 抗靜電性(Anti-Static)材
3、質:表面電阻係數介於109 1012 /square 絕緣体(Insulator)材質:表面電阻係數介於 1012 /square以上摩擦生電,3,7P+,7P+,7P+,7P+,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,平衡原子 1,e -,平衡原子 2,帶負電原子,帶正電原子,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,摩擦,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,ESD 訓練教材,物質產生靜電大小排列如下表，其中愈正性與愈負性物質互相摩擦產生之靜 電愈大Air 空氣 Amber 琥珀Asbestos
4、 石棉 Acetate Rayon 人造絲 Aluminum 鋁 Brass , Silver 黃銅 , 銀 Cotton 棉 Gold , Platinum 金 , 白金 Fur 皮革 Hard Rubber 橡膠Glass 玻璃 Orlon 奧龍Hands 手 Polyester 多元脂Human Hair 頭髮 Poly urethane PU聚亞氨脂 Lead Hand 石墨 Polyvinyl PVC聚氯乙烯Mica 雲母石 Polyethylene PE聚乙烯Nylon 尼龍 Polypropylene PE聚丙烯Paper 紙 Sealing Wax 蠟Rabbit Fur 兔毛
5、 Silicon 矽Silk 絲 Sulfur 硫磺 Steel 鋼絲 Teflon 鐵弗龍 Wool 羊毛 Nickel , Copper 鎳 , 銅Wood 木材,4,Negative 負 性 ( - ),Positive正 性 ( + ),ESD 訓練教材, 靜電就在您的週圍 人在走路或跑步就可以產生可觀的靜電，下面是一個量測人體靜電的實驗靜電壓量表 不銹鋼板 人(不帶靜電環)(Static Locator) ( 12x 12),絕緣架,量測時溫度為24.5，相對濕度 RH 為55 %,一般地面,5,鞋子(皮鞋或球鞋),導 線,ESD 訓練教材, A)上述條件測量結果所穿鞋子 動 作 產
6、生靜電壓(Volts) 皮 鞋 原地慢速踏步 150200皮 鞋 原地快速跑步 200250 球 鞋 原地慢速踏步 200250球 鞋 原地快速跑步 250350 B)當不同條件下，靜電壓之變化產生方法 10%20%相對濕度 65%95%相對濕度走過地毯 35,000 1,500走過塑膠地毯 12,000 250在椅子上工作 6,000 100拿起塑膠文件夾 7,000 600工作椅墊摩擦 18,000 1,500,6,ESD 訓練教材,7, 工作場所中常見的靜電產生物質或活動 ： 工作桌面 一般的塑膠、上臘、上漆。 地 板 水泥地板、一般塑膠地板。 衣 服 人造纖維衣服、一般非導電鞋、 抹布
7、。 椅 子 木材椅、塑膠椅、玻璃纖維椅。 包裝及運送 塑膠袋、泡棉、保麗龍、塑膠盒。 組裝、加工、測試、修理 噴霧清潔劑、吸錫器、鉻鐵、 刷子、塑膠帶、 熱氣、烤箱、 複寫紙。,ESD 訓練教材, 半導體產品抗靜電能力 抗靜電能力之量測(Human Body Model) 依 MIL-STD-883，Method 3015， 測試線路圖 ：,1. Input (A) , Common (B) 2. Output (B) , Common (A) 3. Input (A) , Output (B) 4. V+ (A) , Common (B) 5. V+ (B) , Common (A),8,E
8、SD 訓練教材,各類半導體材料抗靜電能力之比較(NEPCON/ WEST Report)晶片種類 靜電破壞電壓(Volts)MOSFET 100200EPROM 100JFET 1407,000Op-Amp 1902,500CMOS 2503,000SCHOTTKY DIODE 3002,500 TTL 3002,500Bipolar Transistor 3807,000ECL 500SCR 68010,000,9,ESD 訓練教材, 抗靜電能力之分類 依上述量測方法得到的結果，可將材料之 抗靜電能力區分為Category A與Category B(早期MIL分法) 類別 耐電壓 (Min.
9、 Volts) 材料防靜電包裝保護需求A 20 2000 防靜電管及導電袋B 2000 防靜電管及防靜電袋由上可知，大體而言只要100V以上的靜電壓就可以對半導体產 生傷害，故 ESD 之防護工作，我們不可不慎。 而基本上，不同Category 之半導體可以不同的等級來做ESD防 護，但為方便於處理，通常都以處理較嚴密的Category A來做防護措施。,10,ESD 訓練教材,11, ESD 對人体會造成傷害嗎？ 家中的110V、240V常常因為使用不慎造成傷亡，那動輒幾KV 之ESD呢？是否會對人體造成傷害呢？ 造成肌肉或心臟麻痺主要的是電流，尤其是交流電流。 電流對人體傷害分析表 (MI
10、L-STD-454) 。電 流 大 (毫安培 、mA)AC (60Hz) DC 結 果 0-1 0-1 有知覺1-4 4-15 感到驚訝 4-21 15-80 有反射動作21-40 80-160 肌肉麻痺40-100 160-300 休克100 以上 300 以上 立即死亡,ESD 訓練教材,12, ESD 的影響品質方式1. 人體放電模式(Human Body Model , HBM) 顧名思義知道此為借由人體於走動摩擦產生靜電，而影響到元件的模式,人 體,元 件,( HBM ),-,-,ESD 訓練教材,13,2. 電場感應模式(Field Induced Model , FIM) 指由於
11、外來電場感應產生電荷，巧遇機緣而將電荷引導接地引起的模式3. 充電元件模式(Charged Device Mode,CDM) 上述FIM模式中當元件被移離開電場或接地時，就變成CDM模式,元 件,外在電場感應電荷,接地造成ESD放電 (FIM),(Field),E,(Grounded),元 件,接地消失,移離電場,(CDM),(Field),ESD 訓練教材,14, 元件被ESD 破壞之原因及型態 ESD破壞之原因：1. 功率產生：如熱崩潰、 金屬被熔融2. 電壓產生：如介電質崩潰、表面崩潰3. 潛在性故障：如功能劣化、降級,ESD 訓練教材,15, ESD破壞之型態1. 接面崩熔（Junct
12、ion Burnout）過大的電流通過接面時，產生極大的熱量，使得接面崩熔。此種 破壞是屬於接面短路，並有二個特性A即使ESD的能量未能打穿接面（Junction Burnout），也能造成元 件的失效B. 正向偏壓的ESD破壞能量是負向偏壓的515倍2. 氧化層貫穿針引線（Oxide Punch Through）通常在金屬氧化層半導體（MOS）上可以發現此類型之破壞， 這是由於外加的靜電壓超過了氧化層的崩潰電壓所致。其現象亦 是短路。,E B C,E B C,ESD 訓練教材,16,3. 金屬層崩熔（Metalization Burnout） 由於過大的電流流經金屬層，並在較脆弱的地方產生，
13、由於此種破經常是伴隨著接面短路或是氧化層短路之後發生故屬於所謂的二次崩潰（Secondary Breakdown）。而其現象為斷路。,ESD 訓練教材,17, 靜電的累積破壞 負傷而行 負傷而行（Walking Wounded） 許多實驗證實靜電能使半導體負 傷，但不玫立即完全破壞其功能，而且有多數這些負傷而行的 元件都能通過測試直到這些元件送到客戶之後，隨時會從負傷而 行變成完全失效。下面是一ESD累積破壞的試驗：應用前述HBM接線方式（僅略去人體的電阻R2=1.5K）來量測54S163IC試驗條件： 試驗結果：材料：54s163 測試前 I=2.883A PASS人體電容：100pf 第一
14、次 I=2.883A PASS 每次放電：50V 第二次 I=2.890A PASS 放電次數：5次 第三次 I=2.890A PASS 測試點：Vin=Pin2 (A) 第四次 I=1.872mA FAIL GND=Pin8 (B) 第五次 I=2.147mA FAIL,ESD 訓練教材,18, ESD破壞分析 找出PCB上之故障元件 對故障元件進行基本電性量測 功能測試 參數測試 X-ray做表層分析 去封膠（Decapsulate）檢視內部 去除各層（玻璃層、鋁層）層層檢視幾種遭ESD破壞案例參考,ESD 訓練教材,19,去 鋁 層 之 後 的 接 合 窗,接合窗放大10,000之後可見
15、貫穿現象,A金屬接合窗,橫 切 面 放 大 (2,000),橫 切 面 放 大 (10,000),ESD 訓練教材,20, 靜電防護 晶片設計的靜電防護(治本方法)本方法乃是靜電防護最好的辦法，但在設計半導體的抗靜電電路時，必須考慮到電路產生熱的影響、反應時間、 最大電壓、 能量傳導、 寄生電容等等因子，故並非隨心所欲可以辦到。因此靜電防護仍必須靠一些治標的方法。 靜電防護的基本原則1. 避免靜電產生2. 疏導或中和所產生之靜電3. 摒蔽靜電場逐一介紹說明如下：,ESD 訓練教材,21,1. 避免靜電產生(A) 潮溼法(Moisturing)水氣本身會有導電現象，故可降低絕綠體表面電阻，達到靜
16、電防護目的 (B) 抗靜電塗佈法(Anti-Static Coating) 有部份溶液可噴灑於綠體青面降低物體表面電阻，達到靜電防護的目的。但此種塗層，日久會脫落而漸漸失去其效果，故必須考慮其有效期。(C) 內部靜電劑法(Imbeded Anfi-Static Agent) 這是在材料中加入具有導電性或吸溼性的物質，使其外層具有輕微導電性。此方法可以不必考慮有效期，但成本較高。2. 疏導或中和靜電法(A) 疏導法(Bleed-Off)典型的疏導法就是配帶靜電環(Wrist Strap)，是將人體產生之靜電電荷，藉由導線將所產生之電荷傳導出去。通常靜電環中會接一1M之接地電阻，以保護人員工作之安
17、全。,ESD 訓練教材,22,(B) 中和法(Neutralization)利用靜電消除器(Ionizer)來釋出正、負離子以中和消除靜電效應。 目前常用的靜電消除器有下列幾種：a. 放射性靜電消除器 使用放射性物質釙或元素之輻射能來撞擊空 氣使之分裂成等量的正、負離子。使用此Ionizer必須加防護結構。 其優點是不需電源容易裝置，具有防炸功能；缺點是使用壽命短 (每年更換)，必須隔離使用遇火警時極危險。b. 高壓靜電效應消除器 利用針點高壓(5KV左右)尖端放電來電離 空氣分子。此種裝置具有高效率及高安全性之特點，所產生之電 流僅幾微安培(A)，不會產生電擊。c. 感應靜電效應消除器 這是
18、利用帶電物質之高電壓(對接地點)來 電離空氣離子,ESD 訓練教材,23,3. 摒蔽靜電場（Field Shielding） 此種方法乃利用Farady Cage 之原理使靜電場被摒蔽在容器之外圍。左圖是5KV電場下各種容器內測得的靜電場，右圖是一摒蔽電場之模型,電場無法貫穿僅分佈表面,電 壓,(kv),時間 (秒),0,1.0,2.0,3.0,1.0,2.0,3.0,導電袋,防靜電袋,一般PE袋,金 屬 容 器,ESD 訓練教材,24, 各類常用靜電防護材料1. 靜電環 由伸縮拉環，內含1Mega 10%電阻之導線及接頭所構成。 配帶靜電環時必須注意到：(a)靜電環必須與手緊密接觸， 不可鬆
19、脫或套於衣袖上(b)與接地之間必須保持1M 10%之電阻(c)接頭必須固定妥當， 當接頭未接地妥當時，不得碰觸材料2. 抗靜電材料(袋、管、管塞、盒等) 在材料上塗佈抗靜電液，使材料不會產生靜電荷，或僅產生微量的靜電荷(通常在100V以下)。此類材料表面電阻要求在1012/square以下，靜電消散時間2sec。使用此材料應：(a)此材料僅能防止本身產生靜電，而卻無法防止靜電場破壞(b)表面塗層必須考慮其有效期(c)一般工業界會將此類產品製成粉紅色,ESD 訓練教材,25,3. 靜電遮蔽材料(袋、管、管塞、盒等) 此種材料一般含有二或三層，上下(或外)層是抗張力強的抗靜電化學合成物質(R101
20、2/square，靜電消散時間2sec) ，中間(或內)層是一層薄薄的金屬箔(105 R 109 /square)。使用時需注意：(a) 避免使用尖銳物品刮壞金屬層(b)封閉的導電袋或容器才有完全之保護4. 靜電消除器 利用儀器所產生的大量離子，將絕緣體表面的靜電予以中和。使用靜電消除器必須注意：(a)靜電消除器必須在工作範圍45呎內方為有效區域(b)靜電消除器必須定期清理所積聚之灰塵，至少3個月內清理 一次(c)靜電消除器必須定期檢查其離子是否平衡(d)靜電消除器會產生臭氧(O3) 對人體無害(有益) ，但臭氧濃度不可超過0.1DPP M ，否則其異味會使人難以忍受,ESD 訓練教材,26,
21、5. 防靜電工作桌,1. 人體 2. 靜電環 3. 防靜電桌面 4. 儀器 5. 靜電鞋 6. 導電地板,ESD 訓練教材,27,註：各接地點之標準接法4. 其它常用抗靜電材料：(a)防靜電手套、指套(b)抗靜電手套、袖套(c)靜電消除劑(d)靜電鞋,ESD 訓練教材,28, 各種靜電標示警告A.對ESD敏感標示： C.保護+外弧去斜線之標示： 適用於告知電子零組件對ESD 用於工具或材料上已具有控制ESD極為敏感，易遭ESD破壞。 之功效。B.對ESD敏感+警語之標示： D.對ESD敏感標示亦可用： 適用於防靜電包裝袋上。,ESD 訓練教材,29, 工廠對ESD之要求設備要求1.設備機殼：A
22、C-INPUTU一律使用三插頭有接地端子電源線， 設備外殼一律接地。(AI 、 RI、SMD 、加工成型機、測試儀 器、錫爐等)2.外加工治具：一律使用金屬製作，並接地處理。(含散熱片 鎖附治具)3.維修站：工作台表面，需鋪上靜電墊，其表面阻值為105109/SQUARE ，人員、儀器皆需確實接地4.鉻鐵：外殼需接地處理5.零件盒：半導體之零件被裝置或取出時，作業人員需配帶靜 電環，零件放於導電容器或導電之零件盒中。半導體零件嚴 禁放置於塑膠容器(非靜電盒)或保麗龍容器中,ESD 訓練教材,30,搬運要求1.靜電盒：石墨型(黑色，永久型)規格為105109/SQUARE， 可使用期限一年以上2
23、.金屬盒：手插件段(HI)放置小零件之料盒，一般為不銹鋼導 體，必須接地使用3.籃子：防靜電盒如使用一般塑膠籃，則需加上防靜電之隔離 使用4.輸送帶：生產線若以輸送帶方式作業時，輸送帶及其各裝置 需確實接地5.台車：A/I室及生產線的搬運台車，一般必須使用導體材質， 並在台車底部加接地鍊條，鍊條必須與地面接觸儲存要求1.濕度：儲存空間之相對濕度需控制於50%60%的範圍之內2.保存架：必須使用導體材質，及具備接地設施3.取放材料：儲存人員取放材料時必須配帶靜電環並接地,ESD 訓練教材,4.裝取容器：拆封之半導體需使用防靜電袋分裝，不可使用一 般之塑膠袋包裝人員要求人員：工作人員一律配帶有線靜
24、電環並接地，靜電環需每日點 檢兩次， 嚴禁使用無線之靜電環ESD點檢1. 點檢內容：2. 做靜電測試定時需附記當時之溼度及溫度。,31,ESD 訓練教材,32,3.若使用靜電防止劑，需明確記錄下次的佈使用時間。4. 每日確認作業員腕帶的接地狀況及是否有斷線。5. 保存用導電零件盒的外圍，需貼上任何作業員看後均可明瞭之標籤，以標示其內存有不耐靜電之零件。 6. 靜電盒上需貼上能負荷靜電量及檢驗日期之標籤。 7. 確實記錄點檢所得資料。 【註】靜電環點檢方法1. 作業員於座位上坐好後，帶上靜電環（右手操作者將靜電環戴於左手，左手操作者將靜電環戴於右手）並將靜電環接地線插頭插於接地孔中。2. 線上領
25、班攜帶靜電環檢測器至各作業員作業位置，將檢測器接地線插頭插於接地孔中。3. 作業員自行壓下檢測開關(靜電環戴於左手者，用右手壓檢測開關；靜電環戴於右手者，用左手壓檢測開關)，直到訊號顥示完成。4-1. 檢測時“GOOD”綠色顯示燈亮表示該靜電環符合規格，可正常使用4-2. 檢測時“HIGH”紅色顯示燈亮表示該靜電環超出規格，禁止使用4-3.檢測時“LOW”紅色顯示燈亮表示該靜電環超出規格，禁止使用,ESD 訓練教材,33,教育訓練1. 所有從事ESD相關工作之人員，皆必須接受ESD訓練，並經 檢定考試認證合格者方可從事該項工作2.認證共分A、B、C三級A級 各廠訓練講師、Coordihator
26、、稽核員及各工作區課長 級以幹部皆需具備之。B級 各廠工作區之領班、線長、QC人員均需具備之。C級 一般作業人員。3.重新訓練認證 凡經認定為認證資格已失效者(違反ESD規定 二次以上者)及所有人員每年都必須接受重新訓練及認證。,ESD 訓練教材,34,稽核1. 日點檢 由各ESD區域自行點檢、記錄，IPQC人員亦隨時 對相關工作場合進行ESD之稽核2.月稽核 由各廠Coordinator及各部門主管組成ESD稽核小組 實施定期之稽核 3. 季稽核 每季併入Quarterly Process Analysis Audit Team來一 併做ESD之季稽核。 記錄保存ESD相關之紀錄必須保存一年,ESD 訓練教材,ESD 訓練教材, 靜電放電抗擾度試驗 對應國家標準:IEC/61000-4-2/GB17626 定義1. 接觸放電方法:試驗發生器的電極保持與受試設備接觸並由發生器內的放電開關激勵放電的一種試驗方法.2.空氣放電方法:將試驗發生器的充電電極靠近受試設備並由火花對受試設備激勵放電的一種試驗方法.3.直接放電:直接對受試設備實施放電.4.間接放電:對受試設備附件的耦合板實施放電,以模擬人員對受試設備附件的物體的放電.,ESD 訓練教材,試驗標準結果判定 測試完畢后,受試產品能正常工作,且各項參數符合spec要求.,
