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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 T 109 Giga G 106 Mega M 103 Kilo K 10-3 Milli M 10-6 M
2、icro 10-9 Nano N 10-12 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
3、,(Machine Model,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
4、電壓卻遠低於HBM,速度亦較HBM快 CDM元件帶電 -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
5、 Sensitive)Item靜電放電敏感零組件 對於靜電放電敏感(易被ESD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
6、)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,Rogher.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
7、(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 Resistivity 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
8、 Dissipative Material靜電消散材料 表面電阻率至少為1x 105 /square且小於1x 1012 /square,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
9、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 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),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
10、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 40
11、46) -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Charged-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
12、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
13、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,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
14、/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-202 Method 2.5 & Method 101) ESDA ESD S1.1測試方法 接地阻抗 - 必須小於1.25M30V 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,
15、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 Ground)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
16、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1.5V ESD Common Point Ground(共地點)到Equipment Ground 必須小於1 ESD Common Point Ground到ESD Protective Materials and Devices(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 F150 NFPA 99 測試設備 可提供10
17、0V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
18、.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-top,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
19、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
20、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,
21、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70%IPA清洗電極並風乾 Resistance to Groundable Point每5000sq.ft(464.5m2)必須測試五點 Resistanc
22、e 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,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,4046.1 EIA-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,