前言

ESD會對很多具有ESD敏感性的現代電子元器件、組件或模塊造成損傷或破壞。

自從電子制造領域引入金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）技術，ESD敏感性就成為人們普遍關注的焦點，半導體體積的減小和集成電路（Integrated Circuit，IC）的發展進一步提高了人們對ESD敏感性的重視程度。1979年，美國組織召開了第一次過電應力/靜電放電研討會（Reliability Analysis Center, 1979）。1980年，該研討會發布了涉及理論和實踐、設備故障分析和研究、故障機制和建模、設備防護網絡設計、ESD控制實施、設施評估和有效培訓等多個主題的論文（Reliability Analysis Center, 1980）。標準文件和技術手冊也在這一階段問世。標準文件給出了ESD控制程序的規范，技術手冊則歸納了用戶培訓和ESD控制程序設計所需的技術數據和參考資料。對半導體器件和顯示器的制造商而言，顆粒污染物的靜電吸引（Electrostatic Attraction，ESA）是一個問題。對于電子操作系統，ESD會產生電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI），從而導致系統崩潰、故障或數據損壞。

因此在電子元件和操作系統中，對ESD問題的關注可以分為兩個領域。電子元件、組件和系統制造領域中的ESD控制主要需要防止在未加電、非操作狀態下的損壞，并確保產品以良好的狀態交付客戶，且產品的外觀或可靠性不受影響。這一領域的ESD控制可以進一步細分為以下3個研究方向：

● 在晶圓級半導體制造過程中，影響產品產量和質量的ESD問題；

● 在電子元件、組件和系統制造中，影響產品產量和質量的ESD問題，有時也稱為“工廠問題”；

● 通過設計使半導體器件的ESD承受能力達到目標水平。

電子系統工作過程中的ESD干擾和損傷通常被視為電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）領域的一部分，由另外的團體負責研究。在某些地區（如歐洲），電子產品須進行ESD抗擾度測試，該測試結果將作為電子產品投放市場的適應性評價（以及CE認證）的一部分（Williams, 2007）。

然而，不同領域之間有一定的重合，而且重合的內容經常混淆不清。在制造過程中，由ESD引起的EMI會對生產測試設備造成干擾，導致產品報廢，從而降低成品率。在EMC的ESD測試中，在裸露的電路連接器上產生的ESD可能導致部件或系統硬件故障，并可能對連接到外界的組件的ESD魯棒性提出要求。

本書主要討論如何進行ESD控制程序的設計與維護，以保護在電子系統和部件制造過程中的ESDS器件，屬于ESD控制的“工廠問題”范疇。本書可作為手冊或實用指南，供電子公司以及接觸未受保護的ESDS器件的人員使用。同時，本書提供充分的背景資料和技術分析，幫助讀者掌握有效ESD控制的原理和實踐。

本領域的從業人員技術背景多樣，對電子電氣專業的理解能力不一。許多人可能具備基本的ESD控制意識，但并沒有機會學習ESD控制課程。令人意想不到的是，在本書出版之前，很少有高校在電子相關課程中設置ESD控制知識內容。而且，行業課程也僅能幫助人們提升基本的ESD意識，很少能深入探討ESD控制這一主題。縱觀全世界，對想要深耕該領域的人而言，相關的課程和資格認證仍十分匱乏。

因此，筆者嘗試盡可能深入淺出地詮釋ESD控制這一主題，以使那些相關理論基礎相對薄弱的人也能輕松理解；同時對背景理論進行充分的描述，以便讀者理解相關材料，并為那些希望對該主題進行更深入研究的人員提供參考資料和延伸閱讀材料。筆者這樣做的目的是揭示和澄清這個通常被認為是神秘“黑魔法”的靜電領域背后的原理。基于上述多方面原因，筆者開始嘗試撰寫本書—— 一本適用于電子行業ESD控制初學者的書。

當前，制定ESD控制程序的常見思路是遵循ESD控制相關標準（如ANSI/ESD S20.20或IEC 61340-5-1）的要求。人們往往認為該做法能夠確保將產品的ESD損傷控制在一定范圍內。雖然該做法具有一定的可行性，但如果在知識不足的情況下采用該做法，可能導致ESD控制程序優化程度不高或無法解決所有的ESD問題（Smallwood et al., 2014; Lin et al., 2014）。只有掌握并理解相關知識才有可能實現并維護有效且持續優化的ESD控制程序，操作的成本也普遍較低。然而，遵循ESD控制相關標準的要求是有優勢的，有助于證明（尤其是向客戶證明）在生產設施中進行ESD控制的嚴謹性。因此，本書用相當的篇幅來討論如何制定普適且遵循ESD控制相關標準要求的ESD控制程序。通常認為正確規定且符合上述標準的ESD控制程序，足以保護耐受電壓低至人體模型（Human Body Model，HBM）100V的ESDS器件，同時能夠解決帶電金屬物體和帶電設備引發的最常見的ESD風險問題。

隨著時間的推移和器件技術的發展，易受ESD損傷的器件對靜電愈發敏感。日后，隨著電子制造、組裝和維護過程中越來越多的ESDS器件需要操作，人們通過學習和理解（而不是死記硬背）應用標準技術來設計ESD控制程序的重要性會越來越高。隨著ESD控制技術和標準的發展，大量的研究工作對面向耐受電壓HBM 2kV、機器模型（Machine Model，MM）200V的芯片級ESD防護網絡提供了降低器件ESD敏感度方面的支持（Industry Council, 2011）。21世紀初，ESD目標等級行業委員會（Industry Council on ESD Target Levels）成立，成員包括來自IC制造、電子組裝公司的人員以及業內的獨立顧問。面對ESD耐受水平實現難度加大的現狀，加之相信現代電子制造公司的ESD控制程序通常能夠達到標準的保護水平，ESD目標等級行業委員會建議將芯片級目標保護水平降至HBM 1kV、MM 30V和帶電器件模型（Charged Device Model，CDM）250V（Industry Council, 2011; Industry Council, 2010a; Industry Council, 2010b）。同時，由于各種原因，許多分立元件和IC沒有芯片級ESD保護，或者ESD耐受電壓水平更低。在技術變革以及認為業內能夠處置耐受電壓低的ESD元件這一觀點的驅動之下，降低芯片級目標保護水平似乎成為首選方案。

雖然本書的主要目的是為業內工廠的工作人員提供支持，但筆者希望本書能夠促進并推動高校以及繼續教育組織設置ESD控制相關的課程，以供那些希望從事電子生產及相關工作的人員進行選擇。

本書并不冀望能夠解決半導體芯片和器件制造中的靜電和ESD控制、器件的ESD保護設計等方面的全部問題。特別是對于前者，截至本書（英文版）成稿之時，關于該主題的為數不多的圖書尚沒有充分涵蓋相關內容，但在更關注技術領域的圖書中對其進行了更深入的討論（Welker, 2006）。在一些專業圖書中也對器件設計這一主題有更加全面而深入的介紹（Amerasekera et al., 2002; Wang, 2002）。

在其他圖書中，系統的ESD抗擾度通常被視為EMC問題的一部分，在對僅限于ESD工廠問題這一主題的領域進行論述時，ESD抗擾度會被作為獨立的一部分。與ESD控制相比，該領域更加關注電子系統的ESD抗擾設計（Ind. Co. White paper 3; Johnson et al., 1993; Montrose, 2000; Williams, 2007）。

在其他行業，如爆炸物和易燃材料處置（后者在歐洲被稱為“ATEX”），也需要進行靜電控制，通常由該行業相關標準或法規約束。本書對此有提及，但只是為了引起對可能存在混淆的領域的注意，從而避免一些諸如設備選型和采購等工作的失誤。

雖然可以采取“從頭到尾”逐章通讀的方式閱讀本書，但對讀者而言，更可能的情況是在從事ESD控制相關工作的過程中，根據自身對不同主題內容的學習需要，對特定的章進行“翻閱”。本書在編寫時考慮到了這一情況。書中的每章后都提供參考資料，以供希望對該章主題進行更深入研究的讀者使用。

每個專業學科都有自己的一套專業術語，或者會以特定的習慣使用特定的術語。本書第1章介紹并定義ESD控制中常用的術語。盡管這一章對本領域的關鍵概念和術語進行概述，但在閱讀其他章的過程中，仍可能需要通過查閱第1章來對術語的含義進行修正或澄清。這就是為什么將定義及其術語放在一章中給出，而不是在各章節中按照需要對術語進行定義和解釋。接著，第2章對靜電與ESD控制原理進行更加詳細的闡釋。

第3章討論ESDS器件，以及如何測試器件的ESD敏感度；綜述器件ESD敏感度的范圍和當前發展趨勢；歸納應用于ESD失效器件的分析；簡要介紹文獻中的一些ESD失效研究。

第4章總結高效ESD防護的七個習慣。這是筆者多年來在ESD培訓工作中歸納的一套進行有效ESD控制的必要做法。如果這些做法能夠有效地、常態化地實施，ESD控制程序就有望持續有效。忽視其中任何一個“習慣”，都有可能影響ESD控制程序的有效性。

大多數基礎ESD控制技術和標準主要針對的是人工處置中易受ESD影響的器件、部件和組件。第5章將討論的內容擴展到自動化系統、過程和操作中的ESD控制，這些環節也是現代電子制造的主要構成部分。

第6章闡釋本書編寫時IEC 61340-5-1和ANSI/ESD S20.20 這兩個ESD防護標準給出的方法和要求。這些標準會隨著時間的推移而不斷更新，因此建議讀者在使用時檢索現行有效的版本。

第7章概述用于防靜電工作區（Electrostatic Discharge Protected Area，EPA）中常規ESD風險控制的設備與設施。這一章主要介紹它們通常是如何作為系統的一部分來協同工作的，同時強調必須牢記這一點。

防靜電包裝本身是一個可以持續探索且不斷延伸的主題，也是ESD控制中最容易被誤解的內容之一。如今，防靜電包裝種類繁多，包括防靜電袋、防靜電箱、防靜電氣泡膜，以及自動化生產線的線帶和卷軸包裝。第8章對防靜電包裝進行簡要介紹，并闡釋防靜電包裝的原理和實踐。

第9章對如何評估ESD控制程序這一棘手問題進行探討，目標是符合標準要求、有效控制ESD風險，以及提升潛在的客戶關切。

評估現有的ESD控制程序是一項具有挑戰性的工作，而從零開始設計一套ESD控制程序也會面臨其他難題。第10章對此進行探討。

ESD控制相關產品認證和符合性驗證是ESD控制程序的重要組成部分，第11章介紹符合ESD控制標準的測試方法。ESD控制程序可能還會用到一些標準中暫未明確提及的控制措施和設備。這一章也給出一些可用于這些措施和設備的測試方法的示例。

長期以來，人們一直相信ESD培訓對ESD控制持續有效至關重要。第12章對此進行較深入的討論，并介紹筆者在實踐中用于幫助學員理解靜電、ESD和ESD控制的一些演示和技巧。

最后，第13章對ESD控制可能的發展方向進行展望。

參考資料

Amerasekera, A. and Duvvury, C. (2002). ESD in Silicon Integrated Circuits, 2e. Wiley. ISBN: 0471498711.

Industry Council on ESD Target Levels. (2010a). White paper 2: A case for lowering component level CDM ESD specifications and requirements. Rev. 2.0. [Accessed: 10th May 2017].

Industry Council on ESD Target Levels. (2010b). White paper 3: System Level ESD Part Ⅰ: Common Misconceptions and Recommended Basic Approaches. Rev. 1.0. [Accessed: 10th May 2017].

Industry Council on ESD Target Levels. (2011). White paper 1: A case for lowering component level HBM/MM ESD specifications and requirements. Rev. 3.0. [Accessed: 10th May 2017].

Johnson, H. and Graham, M. (1993). High Speed Digital Design – A Handbook of Black Magic. Prentice Hall. ISBN: 0133957241.

Lin N, Liang Y, Wang P. (2014). Evolution of ESD process capability in future electronics industry. In: 15th Int. Conf. Elec. Packaging Tech.

Montrose, M. (2000). Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance, 2e. Wiley-Interscience/IEEE Press. ISBN: 0780353765.

Reliability Analysis Center. (1979). Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium Proceedings. EOS-1. Griffiss AFB, NY: Reliability Analysis Center.

Reliability Analysis Center. (1980). Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium Proceedings. EOS-2. Griffiss AFB, NY: Reliability Analysis Center.

Smallwood J., Tamminen P., Viheri?koski T. (2014). Paper 1B.1. Optimizing investment in ESD Control. In: Proc. EOS/ESD Symp. EOS-36.

Wang, A. Z. H. (2002). On-Chip ESD Protection for Integrated Circuits. Kluwer Academic Publishers.

Welker, R. W., Nagarajan, R., and Newberg, C. (2006). Contamination and ESD Control in High-Technology Manufacturing. Wiley-Interscience/IEEE Press. ISBN: 978-0471414520.

Williams, T. (2007). EMC for product designers, 4e. Newnes. ISBN: 978-0750681704.

延伸閱讀

Dangelmayer, T. (1999). ESD Program Management, 2e. Springer. ISBN: 0412136716.

EOS/ESD Association Inc. (2014). ANSI/ESD S20.20-2014. ESD Association Standard for the Development of an Electrostatic Discharge Control Program for — Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment (excluding Electrically Initiated Explosive Devices). Rome, NY, EOS/ESD Association Inc.

EOS/ESD Association Inc. (2016). ESD Association Electrostatic Discharge (ESD) Technology roadmap, revised 2016. [Accessed: 10th May 2017].

International Electrotechnical Commission. (2016). IEC 61340-5-1: 2016. Electrostatics — Part 5-1: Protection of electronic devices from electrostatic phenomena — General requirements.Geneva, IEC.