靜電防治訓練課程經驗分享 業務部 Roger 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 物質材料 相對濕度 摩擦頻率 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 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 Micro μ 10-9 Nano N 10-12 Pico P Rogher.Shen

典型的ESD電壓 靜電之產生 境電壓(KV) 相對溼度20% 相對溼度80% 走動於乙烯材質的地板 12 0.25 走動於人造地毯 35 1.5 坐離發泡椅墊 18 拿起聚乙烯塑膠袋 20 0.6 在地上滑動苯乙烯材質箱子 移除PC板上的MYLAR膠帶 PC板上的收縮膜 16 3 動作真空吸錫器 8 1 噴電路冷凝噴霧劑 15 5 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) 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,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 CDM—元件帶電 --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 --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 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 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 Surface Resistivity 表面電阻率 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(Ω). Surface Resistivity 表面電阻率 均一材料的單位面積表面電阻,其單位為Ω/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Ω-CM Rogher.Shen

靜電防治材料定義 Conductive Materials導電材料 Static Dissipative Material靜電消散材料 表面電阻率小於1x 105 Ω/square,或其體積電阻率小於1x 104 Ω-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 Ω/square且小於1x 1012 Ω/square,或 其體積電阻率至少1x 104 Ω-CM為且小於1x 1011 Ω-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 表面電阻率大於1x1012或其體電阻率大於1x1011的材料 Insulating Material 絕緣材料 (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 作業人員的衣著 搬運工具 --+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 成品/半成品在工廠內的運送 無線靜電環(Cordless Wrist Strap) --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 靜電接地(工作檯面及作業人員) --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 --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 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 Ω,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-202 Method 2.5 & Method 101) ESDA ESD S1.1測試方法 接地阻抗 -- 必須小於1.25MΩ@<30V 環帶阻抗 -- 1MΩ± 20% Rogher.Shen

一般簡易測試方法 一般定期檢查(750K Ω -10M Ω) 靜電環配戴檢查 新品進料檢查(1M Ω ± 20%) 靜電環及接地線連接檢查 Rogher.Shen

接地系統 ESD S6.1 其他相關標準 人員安全防護 --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 Ground(Hard Ground)實接地 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0.1Ω-1MΩ+/-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1Ω ESD Common Point Ground到ESD Protective Materials and Devices(ESD防護材料或設備)必須小於1Ω (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 其他相關標準 測試設備 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100V和10V測試電壓,誤差在10%以內的高電阻計,量測範圍由10KΩ –100GΩ 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 環境和材料評估測試-低濕度測試 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 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.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,清洗後再重新測試 建議允收標準 Resistance to Groundable Point(s):between 1x106Ω and 1x109Ω Resistance Point-to-Point ≧ 1MΩ 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 測試設備 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10KΩ -100GΩ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1kΩ(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 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,1TΩ 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1MΩ –10 TΩ之樣品,測試電壓為100V 低電阻1KΩ – 1MΩ之樣品,測試電壓為10V 測試時間為1TΩ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 相關測試規範 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 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 Rogher.Shen