ESD射頻系統(tǒng)培訓教材V21

Oct2006曹明江射頻系統(tǒng)培訓教材----ESD國人通信射頻系統(tǒng)靜電防護項目組前言

★我司以打造射頻產(chǎn)業(yè)龍頭為目標，而射頻產(chǎn)品是高可靠性,高穩(wěn)定產(chǎn)品；★由于材料行業(yè)發(fā)展迅速，電子器件的精度越來越高，敏感度越來越高,功能越來越強,也越來越容易被損壞；★在器件損壞中，靜電損壞占到45%以上，減少靜電損壞是保護器件的重要方面。ESD失效所占比例EOS/ESD59%電子測試3%氧化/鈍化3%導體失效3%硅片斷裂4%引腳短路/開路7%引腳連接15%其他6%EOS/ESD導致的失效59%序號火箭名稱飛行試驗代號發(fā)射時間高度/km真空度/mmHg

故障簡況及原因1民兵IFTM-50219627.6316靜電放電造成制導計算機故障,I級發(fā)動機關(guān)閉前自毀,發(fā)射失敗2民兵IFTM-503196221.839.6靜電放電造成制導計算機故障,I級發(fā)動機關(guān)閉前自毀,發(fā)射失敗3歐羅尼ⅡF-111971277.94靜電放電使制導計算機阻塞,姿態(tài)失控,約1分鐘后,火箭I、Ⅱ級過載自毀,發(fā)射失敗4偵察兵S-112196438-423.09-1.86電爆管橋絲和殼體之間因電弧擊穿,Ⅱ級發(fā)動機自毀系統(tǒng)爆炸,發(fā)射失敗5偵察兵5128196438-423.09-1.86電爆管橋絲和殼體之間因電弧擊穿,Ⅱ級發(fā)動機自毀系統(tǒng)爆炸,發(fā)射失敗6大力神ⅢCC-101967268.94靜電放電使制導計算機故障后自動轉(zhuǎn)移到應(yīng)急后備狀態(tài)7大力神ⅢCC-1419671752靜電放電使制導計算機故障后,經(jīng)地面發(fā)射指令,修正到預定軌道8德爾安23131974

制導控制器件故障,火箭翻滾,發(fā)射失敗火箭發(fā)射失敗統(tǒng)計人造衛(wèi)星失效統(tǒng)計序號衛(wèi)星名稱所屬國家組織故障名稱

1國際通訊衛(wèi)星Ⅲ-F3國際通訊電子設(shè)備亂真切換

2國際通訊衛(wèi)星Ⅲ-F4衛(wèi)星組織電子設(shè)備亂真切換

3交響樂-I

法-德干擾電源調(diào)節(jié)系統(tǒng)

4阿妮克B加拿大溫控性能衰減

5林肯實驗衛(wèi)星美國陀螺漂移

6交響樂-Ⅱ法-德干擾遙測設(shè)備

7阿妮克A3加拿大姿態(tài)傳感器異常

8國際通訊衛(wèi)星Ⅱ-F1美國電子設(shè)備亂真切換

9國際通訊衛(wèi)星Ⅱ-F2美國電子設(shè)備亂真切換

10天狼星-1意大利姿態(tài)傳感器異常課程目標

★理解靜電的概念；★知道靜電造成的危害，懂得避免靜電危害；★能夠正確按照靜電防護要求操作。1、關(guān)鍵詞2、靜電原理3、放電現(xiàn)象4、靜電危害5、材料特性7、控制原理8、防護設(shè)計6、放電模型9、射頻改造10、違規(guī)現(xiàn)象

目

錄

靜電（Electrostatics）2、靜電原理1關(guān)鍵詞★靜電是沒有作定向運動的電子或離子所帶的電；★靜電是物體表面過?；虿蛔愕撵o止電荷；★靜電是一種電能，它留存于物體表面；★靜電是正電荷和負電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果；★靜電是通過電子或離子轉(zhuǎn)移而形成的。

1.4ESDS

1.2

EPA1.1ESDElectrostaticsDischarge靜電放電ElectrostaticsDischargeSensitive

靜電放電敏感（的）ElectrostaticsDischargeProtectedArea防靜電工作區(qū)

1.5

EBPEPAGroundBondingPointEPA接地點2、靜電原理1關(guān)鍵詞

1.3SSDStaticSensitivityDevice靜電敏感器件★靜電起電的過程可歸納為：接觸→電荷轉(zhuǎn)移→偶電層的形成→電荷分離

2.1靜電的產(chǎn)生靜電產(chǎn)生的主要方式是:磨擦與感應(yīng)2、靜電原理2靜電原理++++物體A物體B+-

2.1靜電的產(chǎn)生（3）感應(yīng)起電2、靜電原理2靜電原理

2.1靜電的產(chǎn)生（4）摩擦起電2、靜電原理2靜電原理

2.1靜電的產(chǎn)生（5）摩擦剝離2、靜電原理2靜電原理★力學效應(yīng)：同性相斥，異性相吸。★放電效應(yīng)：當垂直于物體表面的靜電梯度較大時，可發(fā)生靜電放電。★感應(yīng)效應(yīng)：當帶電體附近存在被絕緣的導體時，在該導體表面會出現(xiàn)感應(yīng)電荷的現(xiàn)象。

2.2靜電的物理效應(yīng)2、靜電原理2靜電原理★受環(huán)境影響大：濕度上升則靜電積累減少，靜電壓下降

★高電位:數(shù)百伏到數(shù)萬伏

★低電量：微庫侖級

★作用時間短：微秒級

2.3靜電的特點2、靜電原理2靜電原理

3.1自然界的靜電放電（1）3靜電現(xiàn)象

3.1自然界的靜電放電（2）3靜電現(xiàn)象

3.1自然界的靜電放電（3）3靜電現(xiàn)象

4.1靜電的危害形式4靜電危害★靜電吸附：灰塵會降低單板或器件的絕緣阻抗，影響電性能；★

靜電放電引起的器件擊穿：

●

硬擊穿：一次性芯片介質(zhì)擊穿、燒毀等永久性失效。

●

軟擊穿：造成器件的性能劣化或參數(shù)指標下降而成為隱患?！镬o電感應(yīng)：當導體和電介質(zhì)置于靜電場中，在其上感應(yīng)出正或負電荷，同時由于電荷定向移動而形成電流；★物質(zhì)變性：在強電場下，絕緣介質(zhì)會發(fā)生變性，某些物質(zhì)變性后，即算電場消失后也不能復原；★

靜電放電時產(chǎn)生的電磁脈沖：當脈沖干擾耦合到計算機和低電平數(shù)字電路時，致使電路出現(xiàn)誤動作。

4.2靜電危害的時機4靜電危害★放電前的靜電場（靜電感應(yīng)）；★放電時的電荷注入（電荷轉(zhuǎn)移）；★放電時的電、磁、光、聲、熱影響（尤其是電、熱現(xiàn)象）。4靜電危害1)熱二次擊穿；2)金屬化熔融；3)體擊穿；4)介質(zhì)擊穿；5)氣弧放電；6)表面擊穿。

4.3器件的失效機理（1）

前三者的失效與能量有關(guān)，后三者的失效與電壓有關(guān)。4靜電危害

4.3器件的失效機理（2）

4.4靜電損壞的器件樣圖（1）電介質(zhì)擊穿：★半導體氧化層周圍的電壓超過了氧化層介質(zhì)擊穿電壓?！镅趸瘜釉奖。瑢o電越敏感。過熱和短路會損壞器件。4靜電危害

4.4靜電損壞的器件樣圖（2）熱擊穿：★在ESD事件中產(chǎn)生的熱量使器件局部過熱和使接點融化；★熱是由放電電流產(chǎn)生的；★熱能與放電電流的平方成正比。200V400V600V800V900V1000V4靜電危害

4.4靜電損壞的器件樣圖（3）硬損傷：使單板和器件完全被損傷，性能消失、不能工作。4靜電危害

4.4靜電損壞的器件樣圖（4）軟損傷：單板、芯片內(nèi)部受到部分損傷，只是減弱了性能。器件和單板性能變差，但仍能正常工作和通過測試。4靜電危害★金錢企業(yè)會投入更多的人力、物力、財力進行設(shè)備維護、維修等?！飼r間因為靜電引起的失效不易被發(fā)現(xiàn)和定位，影響新產(chǎn)品的開發(fā)周期?！锟蛻魸M意度產(chǎn)品性能不穩(wěn)定、產(chǎn)品壽命縮短使客戶滿意度降低，從而影響公司產(chǎn)品的競爭力。4靜電危害

4.5公司的損失

5.1材料的分類（1）5材料特性絕緣體：

★體電阻大，體電阻＞1x1011Ω；

★很少有電子在物體中移動，在物體上的不同地方可以保持正電荷和負電荷；

★絕緣體的靜電耗散只能通過環(huán)境，不能通過自己的表面接地耗散。導體：

★體電阻＜1x104Ω

★電子能在導體表面和體內(nèi)自由流動。

★如果被接地，電荷能迅速被中和。

5.1材料的分類（2）5材料特性靜電耗散材料：

★體電阻：1x104

≤R＜1x1011Ω

★電子在材料的表面可以自由移動，但移動的速率由于電阻而受到控制；

★如果被接地，電荷將被緩慢的釋放掉。電磁屏蔽耗散復合材料：

★電磁屏蔽耗散復合材料是屏蔽材料和耗散材料復合而成。屏蔽材料電阻率極低為導電體，其受到摩擦表面不起靜電荷，可用于屏蔽射頻和低頻電磁場，但其電阻太小，易在靜電場中產(chǎn)生靜電感應(yīng)損壞器件。通常在屏蔽材料內(nèi)層復合一層靜電耗散材料，如：防靜電袋。

5.2防靜電材料的選擇5材料特性導體電磁屏蔽耗散復合材料

靜電耗散材料絕緣體

5.3材料的靜電極性空氣玻璃云母人類頭發(fā)尼龍羊毛鉛鋁紙張棉花鋼木材硬橡膠鎳和銅黃金和銀金和鉑纖維和人造絲聚脂聚氨脂聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯特氟龍

正極性負極性2、靜電原理5材料特性

5.4射頻系統(tǒng)防靜電材料（1）防靜電器件盒防靜電電烙鐵防靜電氣泡袋防靜電單板架5材料特性

5.4射頻系統(tǒng)防靜電材料（2）5材料特性

5.4射頻系統(tǒng)防靜電材料（3）防靜電氣泡袋黑色防靜電EPE防靜電海綿5材料特性

6.1放電模型的分類6放電模型靜電敏感器件的敏感等級分別按照人體模型（HBM）、機器模型（MM）和帶電設(shè)備模型（CDM）三種模式來進行分類。一般來說，器件的靜電敏感電壓的高低在三種模式之間沒有必然的對應(yīng)關(guān)系。由于ESD損傷的復雜性，使用以上各模型定義的敏感度（用電壓表示）并不一定是器件在實際應(yīng)用環(huán)境中的失效電壓，而只是提供了一種敏感度比較的標準?！锶梭w模型（HBM）：當帶有靜電的人體接觸設(shè)備的導線時該設(shè)備也因靜電釋放而帶上電荷，此時一股釋放電流在設(shè)備接地的情況下瞬間穿過電路，導致靜電故障，類似情況下，當外部帶電物體是人體時從人體向半導設(shè)備放電的模型就稱為「人體模型（HBM」；★機器模型（MM）：當外部物體是人體時，大量電荷從人體釋放出去，釋放的能量遠大于相同情況下絕緣體釋放的能量，當外部物體是機器等工廠設(shè)施時，該現(xiàn)象就稱為「機器模型（MM）」；★帶電設(shè)備模型（CDM）：有可能半導體設(shè)備的生產(chǎn)與組裝過程中產(chǎn)生的靜電釋放而導致故障。此類故障的起因是半導體設(shè)備自身形成電荷時所產(chǎn)生的靜電釋放（ESD），該現(xiàn)象就稱為「帶電設(shè)備模型（CDM）」。

6.2人體帶電模型（HBM）6放電模型HUMANBODYMODELCLASS VOLTAGERANGEClass00voltsto<=249voltsClass1A 250voltsto<=499voltsClass1B 500voltsto<=999voltsClass1C1000voltsto<=1999voltsClass2 2000voltsto<=3999voltsClass3A4000voltsto<=7999voltsClass3B8000voltsto<=15999volts非靜電敏感器件>=16000volts

6.3機器模型（MM）6放電模型MACHINEMODELCLASS VOLTAGERANGEM1 0voltsto<100voltsM2 100voltsto<200voltsM3 200voltsto<400voltsM4 >=400volts

6.4帶電設(shè)備模型（CDM）6放電模型CHARGEDDEVICEMODELCLASS VOLTAGERANGEC1 0voltsto<125voltsC2 125voltsto<=250voltsC3250voltsto<=500voltsC4500voltsto<=1000voltsC51000voltsto<=1500voltsC61500voltsto<=2000voltsC7>=2000volts

7.1泄放與接地7靜電控制★泄放與接地的特殊情況

當ESD防護材料的面積足夠大，而且對大地的電容量也很大，當少量的靜電荷泄放其上時，對SSD器件不會造成損壞。所以在某些情況下，可將表面積非常大的ESD防護材料視為一懸浮接地。即使不直接接地也不會對SSD器件造成損壞?！镘浗拥氐鼐€串接阻值較高的電阻器后再與大地相連。軟接地的目的在于將對地電流限制在人身安全范圍之下（5mA）?！镉步拥貙⒌鼐€直接接地或通過一低電阻接地。硬接地用于靜電屏蔽或儀器設(shè)備、金屬體的接地。例：車，避雷針

7.2靜電屏蔽與接地7靜電控制★靜電屏蔽及接地通常用于高壓電源產(chǎn)生的靜電場屏蔽，某些對靜電極敏感電路的屏蔽，從而避免靜電場對SSD器件和SSD組件的感應(yīng)和靜電放電產(chǎn)生的寬頻帶干擾。靜電屏蔽效果與接地有很大關(guān)系，只有將屏蔽體接地，才能保證屏蔽體上感應(yīng)的靜電荷泄放，使屏蔽體內(nèi)的電路不受靜電場干擾?！锶耍喝梭w，頭發(fā)★工作臺表面：油漆或浸漆表面，普通塑料貼面，普通乙烯及樹脂表面★地板：塑料及普通地板革，拋光打蠟木地板，普通乙烯樹脂★工作服、帽、鞋：普通滌綸，合成纖維及尼龍面料，塑料及普通膠底鞋★操作工具及設(shè)備：普通塑料盒、架、瓶、盤用品，椅子，傳送帶及紙制品，普通泡沫及一般電動工具、壓縮機、噴射設(shè)備、蒸發(fā)設(shè)備等7靜電控制

7.3典型的靜電源

7.4靜電控制原則7靜電控制★將工作區(qū)靜電的產(chǎn)生減至最少；★為導電物提供一條受控的放電通路；★屏蔽----防止產(chǎn)生靜電的物體引起危害，保護靜電敏感器件。

7.5靜電控制關(guān)鍵★工作區(qū)★活動的人★器材儲運時的靜電控制★靜電的測量和監(jiān)視★防靜電意識的教育和培訓

7.6防靜電系統(tǒng)7靜電控制★人體靜電防護系統(tǒng)防靜電腕帶防靜電工作服防靜電工作鞋防靜電工作帽、手套★防靜電操作系統(tǒng)及設(shè)施防靜電臺墊防靜電軟塑料包裝袋防靜電包裝盒、條、管、箱防靜電工具防靜電工作椅防靜電門簾防靜電地板★適宜的作業(yè)環(huán)境溫度20-30℃濕度:45-75%RH

7.6人產(chǎn)生的靜電7靜電控制★當你感覺電擊時，你身上的靜電已經(jīng)超過2000V；★當你聽到放電聲音時，你身上的靜電已經(jīng)超過5000V；★當你看到火花放電時，你身上的靜電已經(jīng)超過10000V！8靜電防護設(shè)計★

ESD防護的設(shè)計方法★靜電防護器件&組件★

RF電路ESD防護設(shè)計技術(shù)測試標準：IEC61000-4-2（GB17626-2）

8.1靜電防護測試標準

8.2靜電防護設(shè)計思想消除靜電源切斷放電通路（隔離靜電源）控制放電電流端口防護：在端口最近位置瀉放ESD電流，阻止ESD脈沖進入后續(xù)電路。8靜電防護設(shè)計

8.3靜電防護設(shè)計流程器件選用、防護電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計、材料選擇測試驗證，改進優(yōu)化8靜電防護設(shè)計

8.4靜電防護設(shè)計方法（1）布板（元件位置）接地（金屬部件，單板，設(shè)備）產(chǎn)品材料應(yīng)用（塑料材料的防靜電處理）屏蔽（接口，開窗，開關(guān)，鍵盤，敏感單元）增加放電路徑長度包裝材料單板布線（邊緣，屏蔽）標識，標簽（單板，產(chǎn)品，過程）制造工具及工序，防靜電處理輔助材料接地（裝備，儀器，工具）放電處理8靜電防護設(shè)計

8.4靜電防護設(shè)計方法（2）Doyouknow?靜電敏感器件的選用設(shè)計端口ESD防護電路單板、產(chǎn)品安全測試方法8靜電防護設(shè)計

8.5靜電防護器件、組件MOV（MLV）壓敏電阻TSS閘流二極管GDT氣體放電管TVS瞬態(tài)電壓抑制器二極管ESD/EMI專用防護器件R、L、C網(wǎng)絡(luò)非線性器件線性器件8靜電防護設(shè)計

8.6靜電防護器件特性對比防護器件類響應(yīng)時間結(jié)電容主要應(yīng)用保護普通MOV慢：數(shù)十ns~us級大：數(shù)百~數(shù)萬pFEOS（AC、雷電）箝位MLV快：ps~ns級一般：數(shù)十~數(shù)百pF，低達幾pFEOS和中低頻電路的ESD防護（中等能量）箝位GDT慢：數(shù)百ns~us級小：數(shù)pF~數(shù)百pF，可低于0.5pF雷電（大能量）負阻TVS快：ps~ns級一般：數(shù)十~數(shù)百pF，低達1pFEOS和中低頻電路的ESD防護(低電壓、小能量)箝位高速開關(guān)二極管快：ps~ns級小：數(shù)pF~數(shù)十pF，可低于1pFESD（高頻、小能量）箝位TSS快：ps~ns級大：數(shù)十~數(shù)百pFEOS（大能量）負阻低電容聚合物ESD抑制器快：ps~ns級極?。簲?shù)fF~數(shù)pFESD（高頻、小能量）負阻箝位R/L/C濾波衰減網(wǎng)絡(luò)快不考慮從低頻到高頻電路的EOS和ESD防護（小能量）濾波衰減8靜電防護設(shè)計

8.7RF接口適用的ESD防護低容值快速開關(guān)二極管√低容值TVS管√R、L、C網(wǎng)絡(luò)√低容值MLVχ低容值聚合物ESD抑制器√8靜電防護設(shè)計

8.8RF接口ESD防護難點ESD信號的頻譜特征

阻抗匹配

結(jié)電容寄生電感限幅

導通電壓ESD信號的寬頻譜特征

8靜電防護設(shè)計

8.9RF電路ESD防護設(shè)計的一般要求整機、單板、組件外殼的空氣和接觸放電：±8000V整機、單板、組件外部RF接口的接觸放電：±4000V，不得低于±2000V；內(nèi)部RF接口的接觸放電：±2000V，不得低于±1500V無線終端外部接口的接觸放電：±4000V8靜電防護設(shè)計降低結(jié)電容方法二極管偏置法二極管串聯(lián)法二極管串聯(lián)并加偏置法二極管反向串聯(lián)和偏置法提高殘壓射頻電路匹配法提高導通電壓方法二極管偏置法二極管串聯(lián)法TVS管或MLV法二極管串聯(lián)電容法RF接口ESD防護電路綜合設(shè)計法MLV、各種二極管、R/L/C二極管串并聯(lián)、匹配設(shè)計、濾波、隔離、衰減

8.10RF電路ESD防護設(shè)計常用方法8靜電防護設(shè)計9射頻系統(tǒng)改造

9.3靜電防護項目支持文件文件編號文件名稱文件等級XCP-PM-GI-107總綱－－RF靜電放電控制總規(guī)范一級XCP-PM-GI-108第一部分－－RF防靜電標識規(guī)范二級XCP-PM-GI-109第二部分－－RFEPA現(xiàn)場管理辦法二級XCP-PM-GI-110第三部分－－RF靜電敏感器件存儲規(guī)范二級XCP-PM-GI-111第四部分－－RF防靜電用品管理方法二級XCP-PM-GI-112第五部分－－RF人員防靜電接地和測試二級XCP-PM-GI-113第六部分－－RF防靜電包裝材料技術(shù)規(guī)范二級XCP-PM-GI-114第七部分－－RF防靜電檢測方法二級XCP-PM-GI-115第八部分－－RF裝備&工裝開發(fā)防靜電方法二級XCP-PM-GI-116第九部分－－RFESD防護設(shè)計二級9射頻系統(tǒng)改造

9.4射頻系統(tǒng)靜電等級劃分深圳國人通信有限公司射頻系統(tǒng)產(chǎn)品EPA劃分為三個等級：一級EPA對應(yīng)HBMClass1A+MMM1+CDMC1

二級EPA對應(yīng)HBMClass1B+MMM2+CDMC2

非防靜電區(qū)域無要求場所一級EPA區(qū)域二級EPA區(qū)域非防靜電區(qū)域