淺談電子制造過程中的靜電及靜電防護(hù)

鮮 飛

（烽火通信科技股份有限公司，武漢 430074）

1 引言

ESD（Electrostatic Discharge）即靜電釋放：兩個(gè)帶不同靜電電平的物體，通過直接接觸或靜電電場(chǎng)的作用會(huì)使兩物體的靜電電荷發(fā)生位移，當(dāng)靜電電場(chǎng)達(dá)到一定能量，之間的介質(zhì)被擊穿而產(chǎn)生放電，這就是ESD的全過程?？梢哉f，我們就生活在一個(gè)靜電的世界。由于生活中靜電無處不在，所以ESD也經(jīng)常發(fā)生，大到電閃雷鳴，小到脫毛衣時(shí)迸出火花，都屬于此列。我們可以按以下描述簡(jiǎn)單判斷ESD的強(qiáng)弱，當(dāng)放電電壓低于3kV時(shí)，ESD過程會(huì)發(fā)生但我們不會(huì)感覺到，電壓大于3kV時(shí)，人體有輕微麻麻的感覺，當(dāng)電壓大于6kV時(shí)，我們會(huì)聽到“劈啪”的放電聲，而當(dāng)電壓大于8kV時(shí)，同時(shí)還會(huì)伴隨快速的電弧火花出現(xiàn)了。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子、通信、航天航空等高新產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，尤其是電子儀器儀表和設(shè)備等電子產(chǎn)品日趨小型化、多功能及智能化。高密度集成電路已成為電子工業(yè)對(duì)上述要求中不可缺少的器件。這種器件具有線間距短、線細(xì)、集成度高、運(yùn)算速度快、低功率和輸入阻抗高的特點(diǎn)，因而導(dǎo)致這類器件對(duì)靜電越來越敏感。靜電放電是導(dǎo)致元器件擊穿危害和對(duì)電子設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生干擾的主要原因。在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中，從元器件的預(yù)處理、安裝、焊接、清洗、至單板測(cè)試、總測(cè)、直到包裝、儲(chǔ)存、發(fā)送等工序，都可能產(chǎn)生對(duì)器件的靜電放電擊穿危害。因此，靜電防護(hù)顯得越來越重要。靜電作為一種自然現(xiàn)象，不讓它產(chǎn)生幾乎是不可能的。但是，把它的存在控制在危險(xiǎn)水平下，使其造成的損失盡可能減小，則是可以做得到的。有效地進(jìn)行靜電防護(hù)與控制，依賴于對(duì)靜電現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和對(duì)其發(fā)生、存在、消除的控制；依賴于掌握和了解靜電與環(huán)境條件的關(guān)聯(lián)性和靜電發(fā)生的規(guī)律。

2 靜電的產(chǎn)生

在電子組裝工業(yè)中，產(chǎn)生靜電的主要途徑為：摩擦、感應(yīng)和傳導(dǎo)。

2.1 摩擦

在日常生活中，任何兩個(gè)不同材質(zhì)的物體接觸后再分離，即可產(chǎn)生靜電，而產(chǎn)生靜電的最普通方法，就是摩擦生電。材料的絕緣性越好，越容易產(chǎn)生摩擦生電。另外，任何兩種不同物質(zhì)的物體接觸后再分離，也能產(chǎn)生靜電。

2.2 感應(yīng)

針對(duì)導(dǎo)電材料而言，因電子能在它的表面自由流動(dòng)，如將其置于一電場(chǎng)中，由于同性相斥，異性相吸，正負(fù)電子就會(huì)轉(zhuǎn)移。

2.3 傳導(dǎo)

針對(duì)導(dǎo)電材料而言，因電子能在它的表面自由流動(dòng)，如與帶電物體接觸，將發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。

3 靜電對(duì)電子產(chǎn)品的危害

靜電對(duì)電子產(chǎn)品的危害有多種形式，并具有自身的特點(diǎn)。

3.1 靜電危害的形式

靜電的基本物理特性為：吸引或排斥，與大地有電位差，會(huì)產(chǎn)生放電電流。這三種特性對(duì)電子元器件有三種影響：

（1）靜電吸附灰塵，降低元器件絕緣電阻。

（2）靜電釋放（ESD）破壞，造成電子元件不能工作。表1列出了一些常見電子元器件所能承受靜電破壞的靜電電壓，從表中可以看出大部分器件的靜電破壞電壓都在幾百至幾千伏，而在干燥的環(huán)境中人活動(dòng)所產(chǎn)生的靜電可達(dá)幾千伏到幾萬伏。圖2是一個(gè)CMOS器件和一個(gè)雙極型器件在受到ESD損傷后芯片內(nèi)部的相貌像。

（3）靜電放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)幅度很大（達(dá)幾百伏/米），頻譜極寬（從幾十兆到幾千兆），對(duì)電子產(chǎn)品造成干擾甚至損壞（電磁干擾）。

這三種形式對(duì)元器件造成的損傷，既可能是永久性的（如功能喪失，不能恢復(fù)），也可能是暫時(shí)性的（如靜電放電產(chǎn)生的干擾使功能暫時(shí)喪失）；既可能是突發(fā)失效，也可能是潛在失效。其中靜電釋放（ESD）事件是造成元器件損傷最常見和最主要的原因。

3.2 靜電危害的特點(diǎn)

相對(duì)于其他應(yīng)力，靜電對(duì)電子產(chǎn)品危害存在以下一些特點(diǎn)：

（1）隱蔽性

人體不能直接感知靜電除非發(fā)生靜電放電，但是發(fā)生靜電放電人體也不一定能有電擊的感覺，這是因?yàn)槿梭w感知的靜電放電電壓為2kV～3 kV，所以靜電具有隱蔽性。

（2）潛在性

即器件在受到ESD應(yīng)力后并不馬上失效，而會(huì)在使用過程中逐漸退化或突然失效。這時(shí)的器件是“帶傷工作”，這是人們對(duì)靜電危害認(rèn)識(shí)不夠的一個(gè)主要原因。實(shí)際上，靜電放電對(duì)元器件損傷的潛在性和累積效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重地影響元器件的使用可靠性。由于潛在損傷的器件無法鑒別和剔除，一旦在上機(jī)應(yīng)用時(shí)失效，造成的損失就更大。而避免或減少這種損失的最好辦法就是采取靜電防護(hù)措施，使元器件避免靜電放電的危害。

（3）隨機(jī)性

電子元件任何情況下都可能遭受靜電破壞，可以這么說，從一個(gè)元件產(chǎn)生以后，一直到它損壞以前，所有的過程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)生也具有隨機(jī)性，其損壞也具有隨機(jī)性。

（4）復(fù)雜性

靜電放電損傷的失效分析工作，因電子產(chǎn)品的精、細(xì)、微小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而費(fèi)時(shí)、費(fèi)事、費(fèi)錢，要求較高的技術(shù)并往往需要使用一些高精密儀器。即使如此，有些靜電損傷現(xiàn)象也難以與其他原因造成的損傷加以區(qū)別，使人誤把靜電損傷失效當(dāng)作其他失效。這在對(duì)靜電放電危害未充分認(rèn)識(shí)之前，常常歸因于早期失效或情況不明的失效，從而不自覺地掩蓋了失效的真正原因。所以靜電對(duì)電子器件損傷的分析具有復(fù)雜性。

3.3 可能產(chǎn)生靜電危害的制造過程

元器件從生產(chǎn)到使用的整體過程中都可能遭受靜電損傷，依各階段可分為：

（1）元器件制造過程；

（2）印刷電路板生產(chǎn)過程；

（3）設(shè)備制造過程；

（4）設(shè)備使用過程；

（5）設(shè)備維修過程 。

在這整個(gè)過程中，每一個(gè)階段中的每一個(gè)小步驟，元件都可能遭受靜電的影響，而實(shí)際上，最主要而又容易疏忽的一點(diǎn)卻是在元器件的傳送與運(yùn)輸?shù)倪^程。在這整個(gè)過程中，不但包裝因移動(dòng)容易產(chǎn)生靜電外，而且整個(gè)包裝容易暴露在外界電場(chǎng)（如經(jīng)過高壓設(shè)備附近，工人移動(dòng)頻繁、車輛迅速移動(dòng)等）而受到破壞，所以傳送與運(yùn)輸過程需要特別注意以減少損失，避免無謂之糾紛。

所以，從元器件的制造、使用到維修的任一環(huán)節(jié)都有可能發(fā)生靜電危害。

4 靜電防護(hù)

靜電防護(hù)的基本原則是：

（1）抑制靜電荷的積聚；

（2）迅速、安全、有效地消除已經(jīng)產(chǎn)生的靜電荷。

4.1 接地

接地就是直接將靜電通過一條線的連接泄放到大地，這是防靜電措施中最直接最有效的方法，對(duì)于導(dǎo)體通常用接地的方法，如有繩防靜電手腕帶、地板及工作臺(tái)面接地等。

4.2 靜電屏蔽

靜電敏感元件在儲(chǔ)存或運(yùn)輸過程中會(huì)暴露于有靜電的區(qū)域中，用靜電屏蔽的方法可削弱外界靜電對(duì)電子元件的影響，最通常的方法是用靜電屏蔽袋和防靜電周轉(zhuǎn)箱作為保護(hù)。另外防靜電衣對(duì)人體的衣服具有一定的屏蔽作用。

4.3 離子中和

絕緣體往往是易產(chǎn)生靜電，對(duì)絕緣體靜電的消除，用接地方法是無效的，通常采用的方法是離子中和（部分采用屏蔽），即在工作環(huán)境中用離子風(fēng)機(jī)等，提供一個(gè)等電位的工作區(qū)域。

5 靜電防護(hù)材料與靜電防護(hù)設(shè)施

因此在防靜電材料和防靜電設(shè)施中，均是按這三種方式派生出來的產(chǎn)品，可分為防靜電儀表，接地系統(tǒng)類防靜電產(chǎn)品，屏蔽類防靜電包裝，運(yùn)輸及儲(chǔ)存防靜電材料，中和類靜電消除設(shè)備以及其他防靜電用品。

5.1 防靜電儀表

（1）手腕帶/腳腕帶/防靜電鞋綜合檢測(cè)儀用途：檢測(cè)手腕帶、腳筋帶、防靜電鞋是否符合要求。

（2）測(cè)試腳帶及防靜電鞋時(shí)，需增加一塊金屬板及儀表連接的導(dǎo)線。

（3）除靜電離子風(fēng)機(jī)檢測(cè)儀用途：定期對(duì)離子風(fēng)機(jī)平衡度和衰減時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)及校驗(yàn)以確保離子風(fēng)機(jī)工作在安全的指標(biāo)范圍。

（4）靜電場(chǎng)測(cè)試儀用途：測(cè)量靜電場(chǎng)以反映靜電的存在，以電壓形式讀數(shù)，用來測(cè)試環(huán)境的靜電強(qiáng)度。一般受環(huán)境影響和靜電瞬間特性，很難真實(shí)反映實(shí)際情況。

（5）靜電屏蔽袋測(cè)試儀用途：檢測(cè)靜電屏蔽袋的屏蔽效果。

（6）表面電阻測(cè)量?jī)x用途：測(cè)量材料表面電阻，體積電阻。

5.2 接地類防靜電產(chǎn)品

（1）防靜電手腕帶：廣泛用于各種操作工位，手腕帶種類很多，建議一般采用配有1MΩ電阻的手腕帶，線長(zhǎng)應(yīng)留有一定余量。

（2）防靜電腳腕帶/防靜電鞋：廠房使用防靜電地面后，應(yīng)配備防靜電鞋，建議車間以穿防靜電鞋為主，可降低灰塵的引入。操作人員再結(jié)合配帶防靜電腳腕帶效果將會(huì)更佳。

（3）防靜電臺(tái)墊：用于各工作臺(tái)表面的鋪設(shè)，每個(gè)臺(tái)墊串上1MΩ電阻后與防靜電地可靠連接。防靜電臺(tái)墊主要是防靜電復(fù)合膠板，主要用于鋪墊桌面、流水線工作臺(tái)面、貨架及制作地墊等。材料面層為草綠色，導(dǎo)電物質(zhì)是抗靜電劑；底層為黑色，導(dǎo)電物質(zhì)是碳黑。

（4）防靜電地板：防靜電地板的也有多種，按時(shí)效性分，有永久性的和臨時(shí)性的；按材料分有導(dǎo)電橡膠、PVC、導(dǎo)電陶瓷等；按鋪設(shè)方式分，有地面直接鋪設(shè)的和架空的活動(dòng)地板?？筛鶕?jù)實(shí)際需要和成本決定。如需要在地面走多種電纜、管道的環(huán)境選擇架空鋪設(shè)的活動(dòng)地板比較好。

5.3 屏蔽類防靜電包裝運(yùn)輸及儲(chǔ)存材料

（1）防靜電周轉(zhuǎn)箱、防靜電元件盒：用于車間單板和部件的周轉(zhuǎn)、運(yùn)輸及儲(chǔ)存。

（2）防靜電包裝袋：用于單板和部件的包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存，具有一定的防潮效果。

（3）防靜電膠帶：用于各種包裝箱等。

（4）防靜電IC包裝管及IC托盤：用于生產(chǎn)車間IC元器件的儲(chǔ)存、搬運(yùn)。禁止在使用前露天存放IC或拆開包裝運(yùn)輸。

（5）防靜電貨架、手推車及工作臺(tái)：防靜電貨架、手推車廣泛用于電子裝配車間的單板、部件的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)等。防靜電貨架及工作臺(tái)要有防靜電接地，手推車應(yīng)有金屬鏈與大地接觸。

（6）防靜電工作服、工作鞋：在具有靜電敏感元器件，具有一定潔凈度要求的加工車間，一般應(yīng)嚴(yán)格要求員工穿戴防靜電工作服工作鞋。防靜電服裝是用不同色的防靜電布制成。布料紗線含一定比例的導(dǎo)電紗，導(dǎo)電紗又是由一定比例的不銹鋼纖維或其他導(dǎo)電纖維與普通纖維混紡而成。通過導(dǎo)電纖維的電暈放電和泄漏作用消除服裝上的靜電。由于不銹鋼纖維屬金屬類纖維，所以，由它織成的防靜電布料的導(dǎo)電性能穩(wěn)定，不隨服裝的洗滌次數(shù)而變化。

（7）防靜電手指套：如操作員工需經(jīng)常手拿靜電敏感元器件時(shí)，要戴防靜電手指套。

5.4 中和類設(shè)備

離子風(fēng)機(jī)、風(fēng)槍、風(fēng)嘴、風(fēng)簾、離子棒等。