靜電對電子元器件的危害與有效防護(hù)

文/張紅

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件也在不斷向輕、薄、短、小、高密度、多功能等方向發(fā)展，電子元器件的靜電敏感度越來越高。在電子元器件制造和應(yīng)用環(huán)境中各種高分子材料的廣泛應(yīng)用，使靜電的產(chǎn)生更加容易和廣泛。靜電放電會導(dǎo)致靜電敏感器件立即失效或潛在失效（性能下降），而電子元器件靜電放電損傷中90%屬于潛在性損傷，沒有辦法通過檢測發(fā)現(xiàn)，靜電放電成為電子元器件質(zhì)量和可靠性的重要殺手，有效的靜電放電防護(hù)是提高電子元器件質(zhì)量和可靠性的重要手段。

1　靜電對電子元器件的危害

所謂靜電，就是一種處于靜止?fàn)顟B(tài)的電荷或者說不流動的電荷。當(dāng)電荷聚集在某個物體上或表面時就形成了靜電，而電荷分為正電荷和負(fù)電荷兩種，也就說靜電現(xiàn)象也分為正靜電和負(fù)靜電。當(dāng)正電荷聚集在某個物體上時就形成了正靜電，當(dāng)負(fù)電荷聚集在某個物體上時就形成了負(fù)靜電，當(dāng)帶有正靜電或負(fù)靜電的物體與其有電位差的物體接觸時就會發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移，而產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)象。結(jié)合以往的工作經(jīng)驗和當(dāng)下的工作標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為靜電對電子元器件的危害，主要是體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）靜電場能使導(dǎo)電材料感應(yīng)帶電，能使絕緣材料極化帶電，在小物體上產(chǎn)生電偶，靜電場對小物體的吸引作用，正是電偶在電場中受力的結(jié)果。靜電會能吸附灰塵，同時會針對電子元器件的線路之間的阻抗，造成非常嚴(yán)重的改變現(xiàn)象。當(dāng)電子元器件長期遭受靜電的影響以后，會在自身的功能方面、壽命方面，均產(chǎn)生特別大的破壞現(xiàn)象。

（2）靜電放電的熱效應(yīng)會使電子元器件立即失效，受靜電場力的作用，絕緣介質(zhì)會發(fā)生電離，電子元器件會出現(xiàn)潛在失效或性能下降現(xiàn)象。性能下降包括溫、濕度范圍減小，頻率特性下降，絕緣性能下降以及壽命縮短等情況。電子元器件受靜電放電和場力作用發(fā)生潛在失效或性能下降的可能性約為90%。

（3）靜電放電多數(shù)是高電位、強(qiáng)電場、瞬間大電流的過程，脈沖寬度一般是ns或us級，脈沖可達(dá)幾十安培甚至上百安培。在靜電放電過程中會產(chǎn)生上升沿極陡、持續(xù)時間極短的大電流脈沖，并產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁輻射，形成靜電放電電磁脈沖，其電磁能量往往會引起邏輯電路翻轉(zhuǎn)失效。

2　靜電產(chǎn)生的原因及影響因素

使物體帶靜電的方法可以歸結(jié)為三種，即摩擦起電、接觸帶電、感應(yīng)帶電。

摩擦起電是摩擦過的物體具有吸引輕小物體的現(xiàn)象，就是摩擦起電現(xiàn)象。由于不同物質(zhì)的原子核對核外的電子的束縛能力不同，當(dāng)兩個物體相互摩擦?xí)r，哪個物體的原子核對核外電子的束縛本領(lǐng)弱，它的一些電子就會轉(zhuǎn)移到另一個物體上，失去電子的物體帶正電，得到電子的物體由于帶有多余的電子而帶負(fù)電。摩擦起電實質(zhì)上并不是創(chuàng)造了電，只是電荷從一個物體轉(zhuǎn)移到了另一個物體，是正負(fù)電荷分開，電荷的總量并沒有改變。相互摩擦的兩個物體，必然帶上等量的異種電荷，帶正電的物體缺少電子，帶負(fù)電的物體有了等量的多余的電子。在轉(zhuǎn)移過程中只能轉(zhuǎn)移核外的電子，但原子核是穩(wěn)定的。例如：被絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電。兩種物體在靜電序列上的位置相距越遠(yuǎn)，摩擦產(chǎn)生的電位差越大，摩擦起電量也會受到溫濕度、外電場、摩擦?xí)r物體運動速度、氣壓、摩擦形態(tài)（滾動和滑動）以及物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的影響。

接觸帶電是指帶電的物體接觸不帶電的物體（注意：這里的不帶電物體應(yīng)是導(dǎo)體，電荷才可以在其上自由移動），則不帶電的物體也帶上了與帶電物體相同種類的電荷。一個物體帶電，一個不帶電，相接觸后，總電量就重新分布了，為了取得平衡，電荷就會發(fā)生移動。接觸帶電是兩個物體帶電的均衡，最終結(jié)果是帶同種但不一定等量的電荷。例如：把帶負(fù)電的橡膠棒與不帶電的驗電器金屬球接觸，驗電器就帶上了負(fù)電，且金屬箔片會張開。

圖1　

感應(yīng)帶電也就是靜電感應(yīng)。一個帶電物體靠近另一個不帶電的導(dǎo)體時的電荷。例如：一個帶正電荷的物體靠近某個不帶電的金屬球時，離帶電體近的一端就帶負(fù)電荷，離它遠(yuǎn)的一端則帶正電荷。感應(yīng)帶電實質(zhì)上是物體在靜電場的作用下，發(fā)生了電荷的重新分布的現(xiàn)象。例如：電視機(jī)、電腦等的顯示屏上的帶電現(xiàn)象。

3　靜電放電的有效防護(hù)

靜電源、路徑、敏感器件是導(dǎo)致靜電危害發(fā)生的三個要素，如圖1所示，其中靜電源是由于不平衡電荷產(chǎn)生的，在靜電放電時，提供必要的電場、電壓、電流或能量。有時一個器件既可以是靜電源，也可以是敏感器件；路徑是指靜電源或敏感器之間能量的耦合路徑，可以是傳到傳播的，有時也可以是電場力的作用；敏感器是一切對靜電敏感的對象的總稱。它可以是一個PN結(jié)、一個晶片，一個元器件，一個組件、一個設(shè)備或一個系統(tǒng)等。因此，需要控制靜電源，使其不超過敏感器件的敏感電壓；切斷耦合路徑，使靜電源和敏感器件之間沒有作用的路徑；對靜電敏感器件進(jìn)行加固設(shè)計，使敏感器件對靜電不敏感。如圖1所示。

從以上分析可知，減少產(chǎn)生的電量，增加泄漏的電量是控制靜電源的兩條重要途徑。

為了減少產(chǎn)生的電量應(yīng)盡量減少物體之間的接觸面積，接觸壓力，或使物體之間不發(fā)生接觸，未采靜電防護(hù)措施的人員不得接觸帶有靜電敏感標(biāo)識的元器件，不得靠近正在操作的作業(yè)人員，工作臺上不允許堆放塑料盒、橡皮、紙板、玻璃等易產(chǎn)生靜電的雜物，圖紙等紙質(zhì)資料應(yīng)裝入防靜電袋中，生產(chǎn)現(xiàn)場禁止堆放與生產(chǎn)無關(guān)的絕緣物品；盡量采用“靜電序列中”中位置相近的材料或同種材料。生產(chǎn)現(xiàn)場的操作人員不得穿化纖及羊毛織品的服裝，應(yīng)穿戴由棉制或靜電耗散材料制作的工作服、工作帽及工作鞋，操作者應(yīng)在涂漆操作時應(yīng)使用防靜電刷，夾取電子元器件時應(yīng)使用防靜電鑷子，生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)使用由靜電耗散材料制作的包裝袋、包裝箱、周轉(zhuǎn)箱；盡量使用清潔、光滑、無污染的材料；盡量減少物體之間接觸分離的次數(shù)與速度，減少相對運動的速度，禁止生產(chǎn)現(xiàn)場操作人員的跑跳操作；增加溫度、提高相對濕度。

接地、中和、提高濕度、涂防靜電涂料是增加泄漏的電量重要措施。

生產(chǎn)現(xiàn)場不接地的設(shè)備、材料、工具和人員都是靜電源，都是導(dǎo)致靜電敏感元器件發(fā)生損傷的潛在和現(xiàn)實的因素，接地的目的是為靜電荷提供一個泄放的通道，保證靜電源與參考點之間產(chǎn)生的電位差最小。靜電接地分為直接靜電接地和間接靜電接地。直接靜電接地是將金屬設(shè)備與接地系統(tǒng)直接進(jìn)行電氣上的可靠連接。間接接地是將物體通過靜電耗散材料及制品或通過一定阻值的器件與接地系統(tǒng)進(jìn)行電氣上的可靠連接，間接接地的目的是控制泄放電流，保證人身安全。電源接地系統(tǒng)、功能接地系統(tǒng)、等電位連接或搭接是靜電接地系統(tǒng)的三種方式。當(dāng)生產(chǎn)現(xiàn)場具備單相三線電源保護(hù)地時，可以通過電源保護(hù)地實現(xiàn)接地，沒有電源保護(hù)地或不方便、不希望使用電源保護(hù)地時，可利用功能接地系統(tǒng)如專用地線實現(xiàn)接地，在既沒有電源接地系統(tǒng)，又沒有功能接地系統(tǒng)可利用的情況下，可用金屬線將生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備、材料、工具和人員連接起來，形成等電位系統(tǒng)。生產(chǎn)現(xiàn)場禁止直接使用木質(zhì)地板或鋪設(shè)毛、麻、化纖地毯及普通地板革，應(yīng)選用由靜電耗散材料構(gòu)成的地面。工作臺、工作柜子上應(yīng)鋪設(shè)防靜電墊。一個防靜電工作臺應(yīng)至少配備兩個腕帶插孔。防靜電地面、防靜電墊、腕帶插孔應(yīng)與接地系統(tǒng)可靠連接。為防止機(jī)殼所帶電對靜電敏感器件的損傷，生產(chǎn)現(xiàn)場中利用交流電源供電的設(shè)備、工具（如電烙鐵、吸錫器、有源剝線器等），應(yīng)通過電源保護(hù)地實現(xiàn)接地，生產(chǎn)現(xiàn)場不使用交流電的工具應(yīng)通過防靜電工作臺或?qū)崿F(xiàn)了接地的操作人員實現(xiàn)接地。生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)使用防靜電工作椅、防靜電小推車。生產(chǎn)現(xiàn)場的操作人員應(yīng)佩戴防靜電腕帶，穿防靜電鞋實現(xiàn)間接靜電接地。所有的接地宜采用螺栓壓接或焊接的方法以保證與靜電接地系統(tǒng)的可靠連接。

某些工序如電子裝聯(lián)的涂覆、粘固工序等所使用的三防漆、硅橡膠等絕緣物無法提供靜電泄放的通道，因此需要采用離子發(fā)生器中和靜電荷。靜電中和的基本原理是通過電離空氣而產(chǎn)生正負(fù)離子，以中和操作過程中產(chǎn)生的正負(fù)電荷。通常采用離子風(fēng)機(jī)、離子風(fēng)槍、離子棒、感應(yīng)式離子靜電消除其進(jìn)行靜電中和。

濕度對靜電的積累和消散的影響很大。濕度較低時，靜電位高，濕度較高時靜電位低。這主要因為濕度較高時，絕緣材料吸附了水分子（有事還有導(dǎo)電雜質(zhì)）而降低了絕緣，便于靜電泄漏；溫度的升高增加了帶電離子的熱能，帶電離子更容易移動，從而也降低了絕緣。但濕度太高會使電子元器件產(chǎn)生銹蝕，因此，一般將生產(chǎn)現(xiàn)場的相對濕度控制在30%RH～70%RH之間。

涂防靜電涂料的目的是改善材料的電導(dǎo)率，利于靜電荷的泄放，能夠迅速消除材料表面的靜電。

低起電的靜電放電屏蔽包裝袋或包裝箱是非常有效的切斷靜電源與敏感器件之間耦合路徑的措施。靜電放電屏蔽包裝袋或包裝箱內(nèi)層與靜電敏感器件接觸的表面材料應(yīng)是靜電耗散材料，其屏蔽層應(yīng)為金屬材料。當(dāng)靜電放電屏蔽包裝用于在生產(chǎn)現(xiàn)場外部運轉(zhuǎn)靜電敏感元器件時，應(yīng)將包裝袋、包裝箱密封或蓋蓋。準(zhǔn)備開封、測試靜電敏感器件時必須在防靜電工作臺上進(jìn)行。凡靜電敏感型器件不應(yīng)過早地拿出原封裝，要正確操作，盡量不觸摸靜電敏感型器件管腿。一次性使用的防靜電包裝應(yīng)不應(yīng)重復(fù)使用，需要重復(fù)使用時，應(yīng)目視檢查，保證完好。不應(yīng)使用破裂、粉化、脫落、有腐蝕性的防靜電包裝袋。

4　總結(jié)

靜電對于電子元器件造成的危害是非常嚴(yán)重的，我們只有充分認(rèn)識靜電產(chǎn)生的原因及影響因素，認(rèn)真分析導(dǎo)致靜電危害的三個要素，并有針對性的采取相應(yīng)靜電防護(hù)措施，才能減少或避免電子元器件的靜電損傷，提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量。