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靜電防治訓練課程經驗分享

靜電防治訓練課程經驗分享. 業務部. 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. 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. 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. 常用的數量級符號. 數量級 全名 符號 10 12 Tera T

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Presentation Transcript

  1. 靜電防治訓練課程經驗分享 業務部 Roger Shen

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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 Micro μ 10-9 Nano N 10-12 Pico P

  6. 典型的ESD電壓

  7. 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

  8. (Human Body Medel,HBM) • 模擬由站立人體之手指尖端放電至元件的現象

  9. (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

  10. (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

  11. 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

  12. 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

  13. 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…

  14. 靜電防治專有名詞介紹 • ESDS(Electrostatic Discharge 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)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

  15. 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

  16. 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(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

  17. 靜電防治材料定義 • Conductive Materials導電材料 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.

  18. 靜電防治材料定義 • Insulating Material 絕緣材料 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)

  19. 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

  20. 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

  21. 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?

  22. 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)

  23. 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.

  24. 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

  25. 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%

  26. 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

  27. 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,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

  28. 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.

  29. 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)

  30. 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

  31. 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

  32. 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

  33. 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“

  34. 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 1x106Ωand 1x109Ω • Resistance Point-to-Point ≧ 1MΩ

  35. 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

  36. 地面材料評估測試 • 測試條件 • 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

  37. 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)

  38. 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)

  39. 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

  40. 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

  41. 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

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