防静电应用

防静电应用防静电应用Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.5n摩擦：具有不同介电常数的物体之间，接触n感应：带电体与导体之间，非接触3.2 防静电应用 静电产生:形成方式 n摩擦时，电子从较上的物质转向较下的物质，使较上的物质带正电荷，较下的物质带负电荷n物质离得越远，摩擦产生的电荷量越大静电产生:摩擦起电序列中性中性正电荷逐正电荷逐渐增加渐增加负电荷逐负电荷逐渐增加渐增加Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 静电产生:实例人在地毯上行走产生静电人在地毯上行走产生静电 n鞋底与地毯摩擦产生静电，并逐渐传输到整个人体n鞋与地毯的性质差距越大，走得越快，走的距离越远，环境湿度越小，则产生的静电就越大Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.5n人体及其衣服：接触面广，活动范围大，与大地之间的电容小(150pF左右)，串联电阻低(150左右)，放电电流可达几十A，上升速度小于nsn器件载体：包装容器（袋、盒、包），夹具，传送导轨n周边环境：工作台，椅子，地板，焊接工具，装配工具3.2 防静电应用 静电产生:主要来源 Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.5n运动的速度n材料性质的差异 （化纤比棉织品严重）n物体之间的电容n环境湿度 （北方比南方严重，内陆比沿海严重）n物体的电阻3.2 防静电应用 静电产生:影响因素 Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 静电放电:定义 n什么是静电放电？什么是静电放电？nESD：Electric Static Dischargen静电放电是具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移（GB/T4365-1995)静电放电导致芯片损坏Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 静电放电:基本过程 静电荷的产生若一个电源对100pF的电容充以10-7C的电荷，可使其端电压达到100V，存贮能量50uJ静电荷的保持与泄漏若介质漏电电阻Rg和空气放电电阻Ra之和为1013量级，则放电时间常数为103s左右若电容不能耐1000V的电压，即会被击穿静电荷的泻放若放电电阻为100欧姆，则放电时间常数为10ns,放电电流峰值可达10A，平均功率可达1000W若放电通道上的器件忍受不了这么大的电流，即会被烧毁Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.5n 人体对器件放电人体对器件放电（Human-Body Model，HBM）：发生概率最大，常作为测试标准n 机器对器件的放电机器对器件的放电（Machine Model，MM）：放电电阻小，破坏力大n 带电器件的放电带电器件的放电（Charged-Device Model，CDM）：器件通过摩擦或接触带电n 场致放电场致放电（Field-Induced Model）：器件通过静电感应带电 3.2 防静电应用 静电放电:主要形式人体放电的典型波形带电器件放电的典型波形Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 静电放电:人体的静电放电如果接受者是元器件，就会对元器件带来损伤或者破坏Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 静电放电:对人体的损害Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.5n 人在地毯上行走：鞋与地毯摩擦产生静电(假定为正电荷)n 人体电荷重新分布：脚带正电荷，手带负电荷n 人手接近(或触摸)键盘：键盘通过感应(或传导)带正电荷(或负电荷)，接近速度越快，距离越近，电荷越多n 键盘对地放电或辉光放电：键盘上的元器件损坏 3.2 防静电应用 静电放电:人行走-键盘模型 辉光放电对地放电Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 静电放电:器件抗静电能力测试I/O-to-VDD/VSSPin-to-PinVDD-to-VSSCopyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 静电失效:失效模式 pn结击穿金属化失效键合线开路n突发失效突发失效（catastrophic damage)：单次高电压，功能即时丧失n隐性失效隐性失效（latent damage):多次低电压，寿命缩短，抗应力能力下降Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.5n 现象：MOS器件栅击穿，双极器件pn结击穿n 因素：输入电阻越高，输入电容越小，越容易失效n 多发器件：超大规模集成电路（薄栅氧化层），超高频功率晶体管（高压，梳状电极），声表面波器件（小间距薄层电极）3.2 防静电应用 静电失效:过电压场致失效机理 Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.5n 现象：直接烧毁，诱发闩锁效应或二次击穿效应n 因素：电流截面越小，对地电阻越低，环境温度越高，越容易失效n 多发器件：反偏pn结，小面积pn结，高温工作条件 3.2 防静电应用 静电失效:过电流热致失效机理 Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.5n甚敏感器件甚敏感器件nMOS器件：MOSFET，VDMOS，MOS电容n栅控器件：JFET，SCRn微波与射频器件：GaAs MESFET，HEMT，MIMICn敏感器件敏感器件nMOS数字电路：CMOS，NMOS，存储器与微处理器n小信号模拟电路：运算放大器，A/D&D/An双极数字电路：TTL，STTL，ECLn中等敏感器件中等敏感器件n双极器件：pn二极管，双极晶体管n阻容元件3.2 防静电应用 静电敏感性:器件分类 Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 静电敏感性:CMOS与双极器件nMOSFETVGSVGDpMOSFETVSGVDGnMOS 器件比双极器件更容易被静电损坏n输入为绝缘层，无放电通道，静电容易产生及积累n输入电容很小（几pF)，耐压不高（通常在15V40V），积累较少的静电电荷（约100pC）即可发生击穿n栅-源比栅-漏更容易发生击穿，因为在器件的正常工作条件下，栅-源电压的绝对值大于栅-漏电压的绝对值Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 静电敏感性:发射结与收集结发射结比收集结更容易发生静电放电击穿导致双极晶体管静电放电热破坏的功率密度与脉冲宽度关系曲线发射结理论拟合曲线实验数据收集结理论拟合曲线Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 静电敏感性:正偏与反偏pn结正偏正偏pn结结结区压降小，中性区压降大中性区截面积大，厚度大，故电流密度小，电场强度低，不易发生静电损伤反偏反偏pn结结结区压降大，中性区压降小结区截面积小，厚度小，故电流密度大，电场强度高，易发生静电损伤Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 静电敏感性:温度的影响 对于静电放电热致失效，环境温度越高，发生失效所需的静电能量越低，越容易发生此类失效Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 片内静电保护:MOS单管Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 片内静电保护:二极管保护电路保护电路实现结构等效电路Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用片内静电保护:电阻-二极管保护电路保护电路实现结构等效电路Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 片内静电保护:FET保护电路利用栅-源短路的MOSFET代替二极管来箝制静电势和泻放静电能利用高阈值电压（4050V）的p沟道MOSFET的开关特性来进行静电保护利用MOSFET的漏-源穿通特性进行静电保护Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 片内静电保护:扩散与多晶硅电阻 多晶硅电阻：相对较差，因为其周围的氧化层阻碍散热，必须采用更大的条宽，并接近输入端，但因无寄生二极管，抗闩锁能力较强扩散电阻：相对较好，因为其硅衬底可提供有效热阱，但因有寄生二极管，抗闩锁能力较弱Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 片内静电保护:静电-闩锁双重防护n既保护输入端，也保护输出端n既防止正的过电压，也防止负的过电压Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 片内静电保护:双极器件对策1梳状发射区圆形发射区尽可能扩大发射区面积和周长，可减少静电损伤静电损伤阈值电压测试电路Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 片内静电保护:双极器件对策2限流电阻箝位二极管Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.5n采用箝位二极管限制输入端、电源端、地线端之间不会产生过电压，采用限流电阻限制输入端流入电流n电阻阻值通常在200 2k，限制电流10mA（输入端与输出端）3.2 防静电应用 片外静电保护:限流与限压Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 片外静电保护:PCB对策1 采用限流和泄放采用限流和泄放电阻（对输入阻电阻（对输入阻抗有影响）抗有影响）采用射级跟随器采用射级跟随器（对速度有影响）（对速度有影响）Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 片外静电保护:PCB对策2 采用互补放大器采用互补放大器（失真度小）（失真度小）采用光电耦合器采用光电耦合器（隔离地线干扰）（隔离地线干扰）Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 片外静电保护:PCB插拔保护 Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 片外静电保护:插入缓冲器未加缓冲器，静电耐压12kV加入缓冲器，静电耐压35kVCopyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 环境防护:防静电工作区静电防护区静电防护区I类：静电电位100VII类：静电电位500VIII类：静电电位1000VCopyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 环境防护:防静电工作桌 所有的桌垫、腕带、地毯等均通过1M电阻接地Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 静电环境防护:防静电台面 推荐标志可用标志标准的防静电标志标准的防静电标志防静电材料n不易产生静电n安全泄放静电分类表面电阻率构成放电情况导电防护材料109/金属材料和体导电塑料放电电流过大抗静电材料1091014/木制品、纸制品、棉制品放电时间过长静电耗散材料105109/（体电阻率1041011cm)绝缘材料半导电添加剂放电电流与时间适中Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 环境防护:湿度影响RH 1020RH 6590在地毯上走动35，000V1500V在塑料地板上走动12，000V250V塑料文件袋7，000V600V坐在椅子上的工人6，000V100V抗静电能力很弱抗静电能力很弱（如大陆性气候）（如大陆性气候）抗静电能力很好抗静电能力很好（如海洋性气候，（如海洋性气候，但易被腐蚀）但易被腐蚀）Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.53.2 防静电应用 环境防护:湿度控制 相对湿度静电电压/kVn 湿湿度度：相对湿度最好控制在4060，相当于在物体表面覆盖了一层静电耗散材料（带导电杂质的水汽）n 离离子子风风：中和表面静电电荷n 防防静静电电涂涂剂剂：促进静电耗散，减少摩擦生电防静电材料防静电材料Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.5n 接地回路应有足够的载流量n 操作人员、导电物体接地必须接有适当阻值的电阻（100k），以保安全n 不能与避雷地、交流地共用，视情况可以与电气保护地、电磁屏蔽地等共用3.2 防静电应用 环境防护:接地控制 Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.5n 插拔插拔：禁止带电插拔，插上器件或印刷板后才通电，断电后才拔出器件或印刷板n 安装安装：只接触器件外壳不接触引脚，接触器件前先放电，焊接与装配器具接地n 调试调试：禁止不带电加信号，不要将电源加到非电源端，不要插错腿，不使用的输入端最好接地n 动作动作：尽可能减少动作的频度和速度3.2 防静电应用 环境防护:操作控制 Copyright by Yiqi Zhuang 2008 V4.5n 包装要求包装要求n 防止静电的产生和积累n 使器件的所有管脚短路n 对外电场有屏蔽作用n 运送要求运送要求n 器件间隔离传送n 管脚短路传送n 尽量减少机械振动和冲击n与传送载体无摩擦3.2 防静电应用 环境防护:包装与运送要求