- 半導(dǎo)體器件的靜電破壞模式
- 除靜電措施與除靜電器應(yīng)用
- 靜電的測(cè)量和管理
- 利用除靜電器除去靜電
- 使用導(dǎo)電墊子等來除去作業(yè)臺(tái)的靜電
當(dāng)今在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中,人們很關(guān)心的是如何迸行電子產(chǎn)品的靜電放電保護(hù)。因?yàn)樗翘岣弋a(chǎn)品的耐受性并關(guān)系影響整個(gè)電子工業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的重要問題，所以靜電破壞與促使靜電放電(ESD)保護(hù)己顯得日益重要。這是因?yàn)殡S著近來零件小型化和半導(dǎo)體高集成化趨勢(shì),其靜電放電而引起的電路或器件的靜電破壞已成為一大隱患的技術(shù)問題。靜電破壞隱患問題是如何產(chǎn)生的吶？
眾所周知，MOS結(jié)構(gòu)的IC、FET及高頻器件等產(chǎn)品對(duì)靜電非常敏感，容易受到靜電破壞。其MOS器件比雙極器件更易遭受到ESD破壞，并且隨著制造工藝尺寸的每一次縮短而更加脆弱。由于隨著IC制造工藝從500nm左右演變到90nm和更小尺寸，集成器件的擊穿電壓已大大降低。這與工作電壓的降低直接相關(guān)，在計(jì)算核心領(lǐng)域幅度最大，而且在I／O、存儲(chǔ)器、模擬電路也是如此。這個(gè)趨勢(shì)的一個(gè)受害者就是傳統(tǒng)的保護(hù)器件，它們的閾值電壓超過了當(dāng)前器件的最高電壓應(yīng)力極限。IC內(nèi)部的傳導(dǎo)膜也會(huì)遭受ESD導(dǎo)致熔斷引發(fā)的故障，從而導(dǎo)致斷路。熔斷行為遵循門特征。內(nèi)部峰值電流高達(dá)30A時(shí)，即使ESD的短暫閃擊也能毀壞鈦鎢或鎳鉻薄膜跡線。
為此防范危險(xiǎn)的最好保護(hù)方法首先應(yīng)了解危險(xiǎn)的性質(zhì)，以及它對(duì)系統(tǒng)的損害方式。通過靜電電位傳感器“EP傳感器”的測(cè)量與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)采取怎樣的除靜電措施來實(shí)施電子產(chǎn)品的靜電放電保護(hù)，這就是本文研討的思路與重點(diǎn)。首先對(duì)半導(dǎo)體器件的靜電破壞模式作闡述。
半導(dǎo)體器件的靜電破壞模式
器件的靜電破壞模式大致分為以下3種：人體帶電模式(HBM)、機(jī)器模式(MM)、器件帶電模式(CDM)。
人體帶電模式(HBM)，見圖1(a)。人體帶電模式為人體所帶的電荷接觸到器件端子時(shí)放電的模式。其發(fā)生原因是因未穿著防靜電腕帶與導(dǎo)電鞋與直接用手接觸端子等造成。
機(jī)器模式(MM)，見圖1(b)。機(jī)器模式(MM)為金屬裝置所帶的電荷接觸到器件端子時(shí)放電的模式。其發(fā)生原因是因設(shè)備或機(jī)器人的帶電、接地不充分與電絡(luò)鐵的電源泄漏等造成。
器件帶電模式(CDM)，見圖1（c）。器件帶電模式為器件的導(dǎo)體部(芯片、電線、引線框等)帶靜電、器件端子接觸到設(shè)備或工具夾具時(shí)放電的模式。其發(fā)生原因是因IC的自動(dòng)裝配機(jī)的搬運(yùn)部分發(fā)生摩擦帶電等造成。
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什么是靜電與其相關(guān)技術(shù)
物質(zhì)因摩擦等原因而導(dǎo)致正負(fù)電荷失衡、電子極性偏向一方的現(xiàn)象稱為“帶電”。在干燥的冬天，用手接觸汽車車門時(shí)有時(shí)會(huì)聽到噼啪的聲響——這就是靜電（其動(dòng)電是一般的電）。
靜電是指物質(zhì)中殘留的電。因衣服和座位摩擦而附帶接觸金屬部分后會(huì)放電，約3KV的高電壓。
1靜電產(chǎn)生的原因是什么
物質(zhì)均由原子組成。原子由若干帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核(質(zhì)子和不帶電的中子)組成。電子環(huán)繞于原子核周圍。這些電子就是靜電的原形。在通常狀態(tài)下，質(zhì)子帶的正電荷電量與電子帶的負(fù)電荷電量相同，所以原子整體上呈電中性。中性的原子會(huì)因摩擦、接觸或剝離等原因而導(dǎo)致電子發(fā)生移動(dòng)——如果帶上多余電子便會(huì)帶負(fù)電；反之。如果失去電子的話便會(huì)帶正電。
帶電種類有以下幾種類型：
⑴ 接觸帶電.2個(gè)物體相互接鈾而帶電分為：摩擦帶電、剝離帶電、滾動(dòng)帶電、噴射帶電等4種。
⑵ 感應(yīng)帶電.未發(fā)生接觸便帶電，因帶有靜電的物體接近或離開其他物體而帶電。像這種沒有相互接觸卻帶上靜電的現(xiàn)象稱為“感應(yīng)帶電”。例如，只需將帶電物體靠近IC，便會(huì)發(fā)生帶電現(xiàn)象(靜電感應(yīng))。因靜電感應(yīng)而導(dǎo)致發(fā)生故障的例子如圖2所示。即使工件沒有帶電，如果帶電物體接近導(dǎo)電體的話，導(dǎo)電體可能會(huì)因靜電感應(yīng)而導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)極化，并產(chǎn)生放電現(xiàn)象。
⑶ 除塵時(shí)的靜電。除塵的陷阱之一，即使通過吹風(fēng)將垃圾吹走后，帶電狀態(tài)仍會(huì)持續(xù)。除塵的陷阱之二，某些除靜電方法無法徹底除去吸附的垃圾。.對(duì)于帶靜電的產(chǎn)品，可以用較強(qiáng)的離子風(fēng)來同時(shí)進(jìn)行除靜電和除塵。
生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采取的除靜電措施與除靜電器應(yīng)用
1除靜電措施
⑴ 靜電吸附灰塵的原理
帶電物質(zhì)相互接近后，會(huì)受到庫侖力的作用。如同磁鐵的S極和N極一樣，同極性互相排斥，不同極性互相吸引。由于該庫侖力的作用，會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品吸附灰塵的現(xiàn)象。
帶電量越大，距離越近，相互之間的吸引力就越強(qiáng)。對(duì)于工件為絕緣體時(shí)，由于工件本身帶電量很大，因此會(huì)吸附帶電的灰塵。另外，不帶電的灰塵有時(shí)也會(huì)在內(nèi)部出現(xiàn)極化，也會(huì)被吸附。對(duì)于工件為導(dǎo)體時(shí)，一旦灰塵帶電的話，便會(huì)因靜電感應(yīng)而導(dǎo)致出現(xiàn)灰塵吸附現(xiàn)象。即使在接地后也不會(huì)發(fā)生改變，因此需要除去灰塵的靜電。
⑵ 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采取的除靜電措施
對(duì)于機(jī)械或人體等導(dǎo)電體而言，接地、防靜電腕帶、導(dǎo)電鞋等非常有效。另外，可以使用導(dǎo)電墊子等來除去作業(yè)臺(tái)的靜電；對(duì)于接地?zé)o效的絕緣體而言，可以使用防靜電噴劑、或通過濕度管理來防止帶靜電、或是利用離子來中和靜電。
4.2利用除靜電器除去靜電
“除靜電盒”是一種組合箱體。它裝有高頻AC方式除靜電器和空氣幕簾，可在保持作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)潔凈的同時(shí)，高效地實(shí)現(xiàn)除靜電、除塵及集塵功能。
如Creceed除靜電盒產(chǎn)品具有3種功能：除靜電、除塵與集塵。其構(gòu)成由小型噴嘴式高頻AC“除靜電器”與BOX及集塵機(jī)構(gòu)組成，如圖3(a)所示。
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除靜電盒是一種新型“除靜電．除塵，集塵”箱，適用于除去液晶零件、樹脂成型品以及電子零件等的靜電，并能預(yù)防因附著灰塵而引起故障。小型箱體不僅可以節(jié)省作業(yè)空間，提高作業(yè)效率，而且還能提高產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)能力。
因高壓吹風(fēng)而導(dǎo)致工件再次帶靜電或附著灰塵,可利用高頻AC除靜電器，有效除去靜電，并能防止重新附著灰塵。由于采用了空氣幕簾，吹風(fēng)后的灰塵不會(huì)四處飛散。作業(yè)過程節(jié)省空間,設(shè)置面積為A4&A3，適合用于單元生產(chǎn)。作業(yè)效率(時(shí)間)提高，拆下側(cè)面外罩后可在流水線上使用。
除靜電器是一種通過向?qū)ο笪锎邓驼姾杉柏?fù)電荷的離子風(fēng)來中和對(duì)象物帶電狀態(tài)的裝置，如圖3（b）所示。
除靜電器有槍式產(chǎn)品、噴咀式產(chǎn)品與除靜電盒等。
3除靜電器的方式
⑴ 除靜電器有軟X線式、電暈放電式、放射線式與紫外線式等4種。而電暈放電式又分DC方式與AC方式2種。而DC方式含有脈沖DC式；AC方式又分為商用AC，高頻AC及脈沖AC等3種。下邊介紹電暈放電式和離子的產(chǎn)生。
⑵ 電暈放電是指：2個(gè)導(dǎo)體之間產(chǎn)生局部高電壓時(shí)，因空氣絕緣遭到破壞而產(chǎn)生的伴有藍(lán)紫色輝光的放電現(xiàn)象。電暈放電式除靜電器會(huì)對(duì)放電針施加高電壓，從而引起電暈放電。由于電暈放電的緣故，放電針附近的空氣發(fā)生電離，產(chǎn)生帶電離子。圖4(a)所示為向放電針施加帶正電的高電壓后產(chǎn)生正離子過程。圖4(b)所示為向放電針施加帶負(fù)電的高電壓后，產(chǎn)生負(fù)離子過程。
⑶ AC方式和DC方式的區(qū)別
根據(jù)電壓施加方式的不同，電暈放電式除靜電器可以分為“AC方式”和“DC方式”2大類。小金井的除靜電器采用了AC方式。其AC方式由1根放電針交互產(chǎn)生正離子和負(fù)離子。電離平衡良好，與DC方式相比，離子的產(chǎn)生量較少。而DC方式由正離子專用放電針和負(fù)離子專用放電針分別產(chǎn)生帶電離子的方式。近距離的電離平衡較差，與AC方式相比，離子的產(chǎn)生量較多。
⑷小金井公司采用高頻方式利用軟管／管道運(yùn)送離子成為可能的原因
商用頻率的除靜電器產(chǎn)生帶電離子的頻率很低，只有50／60Hx，因此短時(shí)間內(nèi)的電離平衡較差，帶電離子會(huì)在軟管中消失，所以無法利用軟管運(yùn)送帶電離子，見圖5（a）。從圖中可知，因軟管內(nèi)帶電離子相互吸引力較強(qiáng)，容易被中和,無法運(yùn)送帶電離子。而小金井除靜電器的頻率高達(dá)68kHz，因此電離平衡良好、且?guī)щ婋x子在軟管中難以被中和，所以使原本難以實(shí)現(xiàn)的“利用軟管運(yùn)送離子”成為可能，如圖5（b）所示。由圖可知,因軟管內(nèi)帶電離子相互吸引力較弱，難以被中和,所以利用軟管運(yùn)送離子”成為可能。
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新型靜電電位傳感器“EP傳感器”的測(cè)量與應(yīng)用
EP傳感器是適用于在線靜電監(jiān)視的傳感器。無需在靜電的測(cè)量和管理方面花費(fèi)工時(shí)，即可適時(shí)監(jiān)視肉眼無法看見的靜電?？赏ㄟ^適時(shí)監(jiān)視來針對(duì)那些便攜式測(cè)量器具難以測(cè)量的地方進(jìn)行靜電管理。
靜電電位傳感器“EP傳感器”主要利用了帶電物體和檢測(cè)電極之間的靜電感應(yīng)現(xiàn)象。帶電物體的電場(chǎng)會(huì)致使檢測(cè)電極表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷。該感應(yīng)電荷會(huì)被換算成帶電物體的電位并顯示出來。其基本原理見圖6。電荷Q(感應(yīng)電荷)與電壓V(帶電電壓)成比例。
實(shí)際上，在檢測(cè)電極的前面還內(nèi)置有可高速開閉的音叉快門。可根據(jù)該音叉快門的開閉量來獲得與帶電量成比例的交流信號(hào)，然后利用該信號(hào)測(cè)量帶電物體的電位,EP傳感器用音叉快門方式迸行測(cè)量。
1靜電電位傳感器“EP傳感器”技術(shù)特征與應(yīng)用
EP傳感器是適用于在線靜電監(jiān)視的傳感器,可實(shí)現(xiàn)便攜式測(cè)量器具無法實(shí)現(xiàn)的在線靜電測(cè)量和適時(shí)監(jiān)視。采用一體式結(jié)構(gòu)，具備低成本化和節(jié)省總體空間的特點(diǎn)。值此以Creceed(克雷斯德)靜電電位傳感器“EP傳感器”為例說明其技術(shù)特征與應(yīng)用。
⑴ 可實(shí)現(xiàn)在線靜電管理。無需在靜電的測(cè)量和管理方面花費(fèi)工時(shí)，即可適時(shí)監(jiān)視肉眼無法看見的靜電?？赏ㄟ^適時(shí)監(jiān)視來針對(duì)那些便攜式測(cè)量器具難以測(cè)量的地方進(jìn)行靜電管理。
⑵ 簡(jiǎn)便功能。簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，采用了一體式設(shè)計(jì)，EP傳感器具備判定輸出和異常輸出功能。此外，無需通過放大器等設(shè)備即可直接連接外部控制設(shè)備，因而可以節(jié)省總體空間。
⑶ 電壓數(shù)據(jù)具有“數(shù)字輸出”和”“模擬輸出”兩種。可以選擇與控制裝置之間的連接方式?？梢杂米雒嫦蛲獠康呐卸ㄝ敵?，或是利用電腦進(jìn)行歷史記錄管理等。
⑷ 判定輸出功能。一旦超過設(shè)定電壓(臨界值)，便會(huì)通過傳感器LED和電壓比較輸出(判定輸出)發(fā)出通知,如圖7(a)所示。
⑸ 具有3種動(dòng)作模式。平均化數(shù)據(jù)輸出模式、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸出模式、電離平衡監(jiān)視器模式。
①平均化數(shù)據(jù)輸出模式將測(cè)得的數(shù)據(jù)平均化之后向外部輸出。數(shù)據(jù)輸出周期可以選擇：100ms、200ms、500ms、1s。
②實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸出模式.將測(cè)得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)向外部輸出，數(shù)據(jù)輸出周期可以選擇：100ms、200ms、500ms、1s。
③電離平衡監(jiān)視器模式.測(cè)量除靜電器的電離平衡。
⑹ 具備校零開關(guān)功能。利用校零開關(guān)功能，可以將當(dāng)前的測(cè)量值調(diào)整為0V。
⑺ EP傳感器的設(shè)定方式可以選擇“EP監(jiān)視器”和“電腦軟件”2種。EP傳感器的設(shè)定可通過EP監(jiān)視器或電腦軟件來進(jìn)行,設(shè)定通過S232C進(jìn)行,見圖7(b)所示。
[page]⑻具備電離平衡測(cè)量功能,可以確認(rèn)除靜電器的性能。通過安裝監(jiān)視器面板可以簡(jiǎn)便地查看簡(jiǎn)易電離平衡。關(guān)于除靜電器與監(jiān)視器安裝板之間的距離，可參照各除靜電器廠商的建議設(shè)置最小距離。
2EP傳感器技術(shù)指標(biāo)與輸出
技術(shù)指標(biāo)(以小金井公司產(chǎn)的DTY-EPS型為例)如下：電源電壓為DC24V±10％；電源電流50mA以下；測(cè)量范圍為5mm—50mm；精度為±5％rdg±2dig；判定輸出的方式為NPN晶體管集電極開路,施加電壓30VDC以下,其SINK電流為20mA以下；傳感器異常輸出的方式為NPN晶體管集電極開路，施加電壓30VDC以下,其SINK電流為20mA以下；模擬輸出其輸出電壓為1V—5V,而零點(diǎn)為3V；通信I／F符合RS232C；采樣周期約10ms；數(shù)據(jù)輸出周期為100ms，200ms，500ms，1s；輸入輸出響應(yīng)時(shí)間(平均化數(shù)據(jù)輸出模式時(shí))為最大數(shù)據(jù)輸出周期的2倍；溫度特性為—O.5％FS／℃；運(yùn)行溫度范圍為O—40℃；電纜線長(zhǎng)度為3m；外殼材質(zhì)為導(dǎo)電性ABS樹脂；外形尺寸為61.2(W)mmx34.2(H)mm~15.0(D)mm。
3EP傳感器應(yīng)用
使用實(shí)例：硅晶片等的電位測(cè)量,可通過支持軟件來進(jìn)行設(shè)定、顯示和管理；除去包裝用薄膜等的電位測(cè)量；樹脂容器、零件等的電位測(cè)量;測(cè)量除靜電前和除靜電后的電位與安裝監(jiān)視器安裝板來測(cè)量除靜電器的電離平衡及玻璃電路板等的電位測(cè)量。
4EP傳感器連接實(shí)例
EP監(jiān)視器連接(通過電腦來進(jìn)行設(shè)定時(shí))如圖8所示。
從圖8可知，通過電腦進(jìn)行設(shè)定的EP監(jiān)視器連接是由外部控制裝置與電腦及其組件構(gòu)成。而組件必需是EP傳感器1臺(tái)(如DTY-EPS型)與EP監(jiān)視器1臺(tái)(如DTY-EPU)及電源SW•通信電纜線.及EP傳感器用通信電纜線。
除了以上所述利用電子產(chǎn)品的靜電放電保護(hù)來保護(hù)系統(tǒng)以外，還有防止高壓靜態(tài)輸入技術(shù)與芯片AAT4684的應(yīng)用，詳見附錄。
附錄
用AAT4684—3x2.75mml包裝提供高達(dá)28V的過電壓保護(hù)。其特征為：最高+28V的過電壓保護(hù)；固定或可調(diào)節(jié)的過電壓保護(hù)閾值；3V欠壓鎖定閾值，即快速過電壓保護(hù)響應(yīng),過電壓瞬變值1μs(最大)；低靜態(tài)電流,即常用-30μA與關(guān)機(jī)(禁用)時(shí)電流最大為1μA；常用100mΩ(最大為130mΩ)RDS(ON)，電壓為4.5V；最大連續(xù)電流為1.8A;TSOPJW—12封裝。
AAT4684指標(biāo)：Vin為0.3V～28V,RDS(ON)為100mΩ，IQ為30μA，TRESPOV為1μs。
該芯片優(yōu)點(diǎn)為高壓保護(hù)，靈活的過電壓保護(hù)閾值設(shè)置，阻止非有用輸入源，快捷且安全的過電壓保護(hù)，延長(zhǎng)電池壽命，低壓差，廣泛應(yīng)用的高連續(xù)電流與小型解決方案。
