电子产品装联中ESD危害及防护

方辉政

华为技术有限公司523808

摘要：静电放电（ESD）是当前电子板级装联制造面临的可靠性问题之一，并且越来越引起各个企业的重视。本文阐述了静电放电对电子制造危害的机理和做好ESD防护的基本原则要素，并对典型失效案例作了剖析，可作为防护实践中的参考。

关键词：ESD；HBM；CDM

引言

静电放电（ESD）是当前电子板级装联制造面临的可靠性问题之一，受到电子加工企业的普遍重视。随着电子产品向高密度、集成化、小型化方向发展，器件的承受静电放电的能力呈降低趋势。弄清楚静电产生原因及导致失效的机理，从而采取有针对性防护措施，从而减少静电放电这一电磁障害对电子产品质量可靠性的影响，提高产品竟争力，是十分必要的。

一、静电的基本原理

1.1静电及其产生

静电从物理原理上讲，就是物质得失电子失去电中性而在物体上产生的静止不动的电荷。静电其有正面的作用，但更多的时候对生产构成不利影响，如电子加工业，电火工产业。静电产生最常见的形式为固体间摩擦起电。起电的本质是物质间的接触或分离导致的电荷的转移。而摩擦可以理解为不断的接触分离的组合。

1.2电子产品的静电失效模式

1.2.1HBM模式

HBM即HumanBodyModel，是指人体由于走动或其它动作等原因积累了一定量电荷，从而产生一定的体电压，在人体接触器件引脚时，发生瞬间电荷转移，如这一电压超过了器件的可承受能力，器件就可能因此受到损坏。

1.2.2CDM

CDM即ChargedDeviceModel，是指器件尤其是其引脚由于感应带电等原因带上电荷，而后因为某种原因和导体材料接触，发生瞬时荷转移而放电，如果放电的能量起过器件的承受能力，就可能对器件构成破坏。

1.2.3其它模式

除了上述两种，还有孤立导体（原MM）、CBE、CDE等不同的失效模式，这里不一一介绍。

二、静电防护的原则及措施

2.1静电防护原则

电子行业静电要构成危害，须满足三个要素：静电源，放电路径和静电敏器件。三个要素同时具备，才会发生静电放电。因此，针对这三个要素，有三条基本的防护原则：

1）控制静电源，就是控制起电的速度和电压，使用静电压不超过器件敏感度；

2）切断放电路径，使静电源和敏感器件不直拉接触或以较高电阻路径接触；

3）提高器件本身抗静电健壮性，提高器件敏感度。

2.2静电防护措施

2.2.1温湿度控制

温湿度对静电起电和防静有重要影响，易起静电的高分子材料，在相对湿度高时其表面吸收水份形成一种层极薄的水膜，溶解在水中的杂质形成电解质，改善表面导电性能。因此，ESD防护区域须有湿度控制设施，满足一定的湿度要求。行业一般按40~70%控制。

2.2.2静电源控制

静电放电发生的三要素，其中首要的是静电源。控制起电，必须对现场使用到的可能起静电物品工具也要进行控制。一切非制程必要的绝缘体，如水杯、食品袋等应移出EPA之外。对于制程不能避免的绝缘物品，如现场的鼠标、键盘、文件夹等，要和静电敏感物品保持一定距离，通常是按12英寸原则，就是保持30公分距离。

2.2.3接地/等电位连接

接地的方式对于消除静电的作用非常明显，这在整个电子行业具有广泛的共识。将现场所有的导体（包括人体）、耗散型用品用具等通过接地导体连接到大地，产生的静电能够实时泄放到大地不产静电累积。

2.2.4离子化中和

对于某些制程必须绝缘体，特别是构成产品一部分的部件或材料，不能通过上面的保持距离避免产生静电或接地来释放静电。此时，离子化中和就显出其独特作用。离子化是通过离子发生器，在高电压的作用下，使空气电离产生正负离子，中和带电体上的电荷。按最新的国际标准ANSI/ESDS20.20，正负离子平衡电压要求控制在绝对值35V以内，另外静电衰减时间，要求某一初始值后，在离子化作用下，能在一定时间范围内消散到指定的终值（通常取比例10%，即从1000V衰减到100V）。

2.2.5包装周转运输

产品的周转和出货，都不可避免要用到包材进行运输。敏感产品包材除了常规性能外，还须对容纳物品有静电保护能力。静电保护体现在：1）低起电率，可大大降低了静电电荷的产生和积累；2）适当的电阻率，电阻率是静电防护的重要指标，电阻率太小，就会有带电器件接触放电风险，电阻率高，就到了绝缘材料的范围，容易驻留静电荷的。表面电阻率控制在105~1012Ω/□之间的材料对于静电消散是比较适宜的。3）一定的屏蔽能力，对于出EPA（静电放电保护区）跨厂房周转运输，为防止外界强的电磁场的影响，会要求防静电包装中至少有一层是带有静电屏蔽能力，从而减小静电影响。

三、静电放电案例解析

3.1Flash烧录防护不当导致失效

某单板在研发阶段对Flash闪存进行软件烧录，烧录后发现有失效，比率X%。各种分析排查之后，认为是ESD导致问题的可能性比较大。同一型号烧录器在生产线使用时都是没有失效的，失效这一台是产品开发阶段用在研发实验室里的。

查看实验室环境，发现并未做静电防护，地上铺有地毯。为了分析根因，设计对比实验如下：先后领取5PCS良品，第一次戴好防静电腕带和手套，从防静电包装袋中取出器件编程500次没有出现失效。第二次将5PCS器件，裸手拿着在地毯上走一段距离，放回进行编程，发现3pcs失效。测试人在地毯上的走动电压，达到XXXXV，远高于HBM敏感度阈值1000V。

解析：上述这个例子是典型的HBM失效案例。人在地毯上走-起电-裸手接触器件-放电，所以问题就出现了。

3.2底部平焊端的器件分板失效

某半导体厂家的一款器件，外形为正方形，底部为阵列分布的平焊端，如下图左侧照片所示，在测试工序中，发现第3Pin失效。经过对前后各工序分析排查，发现分板工序有“金属-金属”接触的情况，分板承载台如下图右侧照片所示，当分板前的该产品放入到承载台时，因为产品与承载台不等电位，接触瞬间发生静电放电，导致了失效发生。

对此问题，我们临时方案是在承载台面贴上防静电胶纸，阻断了放电路径，后续跟踪3000pcs以上，未现出现失效。

解析：这是典型的CDM失效案例。器件因某种原因带电导致与承载台间有电位差，引脚与金属直接接触就发生ESD，上面的解决办法是通过阻断放电路径防止放电发生。

结束语

静电放电对电子产品的损害往往是隐性的，由于极难发现而流入用户手中，对产品声