前言：

市场对电子产品的轻薄短小的追求，促使电子组件不断的缩小尺寸加上大量使用高分子材料，因此使静电对电子产品的影响日益受到重视，甚至以往不为静电所动的组装业也受到一定的压力。

静电其实是一个因循了几十年的不正确的名词，因为如果电有静止的那我们今天就不必来研究如何防止其放电为害的问题，而放电就是电子(荷)快速移动的现象，当电荷未移动之前应视为一堆有压力的电子(荷)，就像气球中有限的气团不能任意移动，一旦有移动的机会就如气球被戳破一般，瞬间放尽微小而破坏力惊人的能量。[1]

另外，静电是一种自然的恩赐，有许多产业是靠静电获利的，如影印、涂装业，更重要的是如果没有静电力，这个世界包括你我在内都无法存在。以下本文将延用大家习惯的名词，以条例的方式减少文字，分享一些电子封装组装业对静电放电破坏的防制方法实战经验。

本文将探讨以下几项有关静电放电防制的要点：

1 静电放电防制作业规范；

2 静电放电防制秘诀；

3 静电发生的原因；

4 静电防护基本操作；

5 操作人员的静电防护；

6 静电吸附的污染；

7 静电消除器的选择；

8 半导体产品的静电破坏故障分析。

1 静电放电防制作业规范 :

1.1 JESD625-A(Revision of EIA-625)

1.2 ANSI/ESD S20.20

2 静电放电防制秘诀：[2][3]

2.1 产品不要发生静电(电荷不平衡的状况)。

2.2 不要让产品的静电荷不安全的放电。

2.3 半导体产品因体积小，放置的背景会影响其静电电压的量测，因此量出低的电压不代表是安全的。

2.4 生产及储存对静电放电敏感产品的设备要作静电接地。

2.5 接触静电放电敏感产品的治具使用抗静电材料。

2.6 确定产品通过生产设备时会产生静电电荷的位置，并且

2.7 依产品，制程特性选则适当的静电消除器。

2.8 对所装置的静电消除器要严格依照计划检测保养。

3 静电发生的原因：[1]

3.1 静电的产生第一种原因是两种能带不同的物质接触后分离而表面生成不平衡的电荷堆积，凡产品经与生产机具的机构接触后又分离、经黏贴后又分离其表面必定会产生不平衡的电荷，面积愈大产生电荷愈多，而这两种物质的能带也决定电荷多少。

3.2 当静电产生在绝缘体与未作静电接地的导体时电荷都会留滞积聚。

3.3 静电的产生第二种原因是受周遭带电物体电场感应而产生，物体面积愈大能使被感应的物体产生愈多的电荷。

3.4 移动位置会改变带的电物体的电容量，从工作面拿起一个小芯片通常不会有问题，但拿起一片晶圆就很可能使其中晶体被静电放电破坏，光罩或LCD玻璃等大面积物件被拿起离开桌面后因电容量变小使静电压升高而造成静电放电破坏。

3.5 静电是无尘室里的必然现象，因为环境较低的相对湿度促使静电容易存留堆积，静电除了会因放电造成产品破坏，也可能造成环境灾害如火灾等，甚至于使精密设备当机。[4]

3.6 高电压的设施、电缆等外漏的电场也会使附近产品生成感应静电。

4 静电防护基本操作：[2][3][4][5][6][7][8]

4.1 防止静电放电破坏基本上就是有效控制、延缓放电时间。

4.2 对于绝缘体与无法作静电接地的导体唯有静电消除器能平衡消除其电荷堆积。

4.3 导体，例如生产机具一定要作接地，接触静电放电敏感产品的操作面则要作静电阻抗接地。

4.4 静电放电敏感产品不要接触金属器械模具，会接触的工作面要以抗静电材料制作。

4.5 会产生静电的必要器材用具要作好隔离管制。

4.6 运送晶圆的塑料晶舟会产生非常强的静电电荷，应该在静电消除器下撕去密封胶带，等待至少10秒钟再打开盖子。

4.7 作业用的晶舟只要移动都要在静电消除器防护之下。

4.8 电子零件很常用到气泡布或泡棉包装，这些包装材料不要带到生产在线，尤其是没有抗静电处理的材料。

5 操作人员的静电防护：[5][6][7]

5.1 后端的组装线基本上以戴静电接地手环为主，如果地板有静电接地则可用踝环接地带或穿抗静电拖鞋或抗静电工作鞋较为方便安全。

5.2 无尘室的人员一定是选无尘室等级的抗静电工作鞋。

6 静电吸附的污染[9][10]

6.1 有了静电电荷堆积即使没有静电放电也会造成静电吸附污染。

6.2 任何静电电荷堆积的对象所生成的电力场对质量微小的空气悬浮颗粒都有致命的吸引力，尤其是带极性相反电荷的气浮颗粒。

6.3 静电吸附作用造成的污染是无法用一般方法擦拭或吹掉的，而且是愈擦愈脏。

6.4 静电吸附愈小的污染物其吸附力愈大。

6.5 做好无尘室管理防止污染发生，正确的使用静电消除器来保持产品常处在低静电电荷(场)的状态，才能大幅降低静电吸附的污染。

7 静电消除器的选择：[11][12]

7.1 ISO7以下的无尘室里一般以离子风扇的使用较经济，有效面积也较大。

7.2 ISO6以上的无尘室里5cm到30cm短距离则以静电消除排(Bar Ionizer)或静电消除喷气嘴(Nozzle)较合适中距离。

7.3 60cm以上长距离以及ISO5的环境则应选直流，最好是脉波直流电晕放电方式的静电消除器。

7.4 无法吹气的地方可选用无气脉波直流电晕放电方式的静电消除器、软性X光或非常贵的幅射静电消除器。

7.5 真空的环境可使用紫外线静电消除器。

7.6 对自动平衡的静电消除器应针对固定的对象使用，对移动频繁的对象要考虑其自动平衡的延迟可能反而无法有效消除静电。

8 半导体产品的静电破坏故障分析：[13][14][15][16][17]

8.1 检验人员的训练与经验是故障分析的关键。

8.2 原设计厂商的配合才能快速正确的找到故障进而找出原因。

8.3 半导体产品的静电破坏有前后段之分，前段因还没有封装，表面一定可以光学显微镜看得到破坏的痕迹，这时受过训练有经验的检验人员才能分辨出破坏的痕迹。

8.4 到测试站发现漏电的产品，都是已封好的了，如果X光检查没有机械性短路常会往静电破坏的方向去想，要进一步检查当然要把封材打开。

8.5 如果有原设计厂商的指导也可透过电测的手法，利用一些对漏电流有影响的特性，量测出半导体在特定条件下电流一定的变化，或找到放电击穿生成的二极管来加以确认故障。

8.6 打开后的样品要先以光学显微镜找破坏的痕迹，然而因有些伤痕很小，有时高倍数(1000倍)的光学显微镜都无法看见，就要倚靠电子显微镜(SEM)来搜寻被破坏的位置。

8.7 有原设计厂商的指导接上适当电源或信号源就可藉液晶显示或者微光显微镜找到发热点。

8.8 静电放电破坏的痕迹通常要有些经验才看得出来，其现象常会是线条边浅浅的斑，绝缘层中的导线熔融时热膨涨造成表面的裂痕一般都要靠电子显微镜才能分辨。

8.9 以上所找到发热点或熔融裂痕位置要进一步藉离子束蚀刻(FIB)切断面进一步找出真正烧熔处加以确认。

8.10 集成电路只有输出入端才会受到静电放电破坏。

9 结论

静电防护的投资是无法估算还本效益，但是往往防止一次静电破坏就够本，只要有静电产生一定会造成破坏，唯一正确的作法：防护重于治疗，静电放电防制最重设备的维护保持静电消除设备正常运作，其次才是监测，藉高频电磁波探测可帮助找到放电位置并排除之。

虽然本文主要探讨静电放电对集成电路的破坏与防护方法，但大部份集成电路在测试出有漏电故障其实并非静电放电击穿所造成，晶圆从原料到制造所产生晶格差排及微污染才是占大比例的重要的原因，可另为文讨论。

参考文献

[1]"STATIC ELECTRICITY" MISCONCEPTIONS - - - William J. Beaty

[2]“Static Charge Effects and Solutions”, Technology in Brief, Ion Systems

[3]“JESD-625A Requirements for Handling Electrostatic Discharge Sensitive (ESDS) Devices.”

[4]ANSI/ESD S20.20-1999 Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment (Excluding Electrically Initiated Explosive Devices), ESD Association, 1999.

[5]ANSI/ESD S20.20 Paragraph 6.2.2.2 Personnel Grounding Guidance

[6]ANSI/ESD S20.20 Paragraph 6.2.3.1. Protected Areas Requirement

[7]ANSI/ESD S20.20 Paragraph 6.2.3.2. Protected Areas Guidance

[8]ESD S4.1 paragraph 8. Resistance Guidelines

[9]“Controlling Electrostatic Attraction of Particles in Production Equipment”, Douglas W. Cooper The Texwipe Company, Upper Saddle River, N.J., Robert P. Donovan, Sandia National Laboratories, Livermore, Calif. Arnold Steinman, IonSystems, Berkeley, Calif.

[10]“Basics of Contamination by Electrostatic Attraction”, Douglas W. Cooper, PH.D., October 1999

[11]EVERYTHING YOU EVER WANTED TO KNOW ABOUT AIR IONIZATION by Arnold Steinman MSEE

Chief Technology Officer ION Systems

[12]“Everything You Ever Wanted to Know About Air ionization”, Source Midwest Chapter, ESD Association.

[13]“Failure through electrical stress” http://www.ami.ac.uk/courses/topics/0181_ftes/

A Study of the Mechanisms for ESD Damage to Reticles by Larry Levit1, Gaurisha Gajjar Desai2 ,Terrence Coates1,

Andrew C. Rudack2

[14]Understanding ESD Damage to Magnetoresistive Recording Heads by Al Wallash

[15]“Techniques and Methods for AHE” John T. Clack 2001 Trek Incorporated

[16]“Impact of ESD protection device trigger transient on the reliability of ultra-thin gate-oxide” by Kin P. Cheung, Bell Laboratories, Lucent Technologies

[17]“Failure analysis techniques for semiconductors and other devices” By V. Lakshminarayanan, member of the IEEE coordinating engineer - failure analysis & reliability, Development of Telematics Centre, Bangalore, India.

作者：

高文正 飞信半导体股份有限公司 资深工程师

jasonkao@ist.com.tw 高雄市前镇加工出口区南6路5号