電子產(chǎn)品中靜電防護問題研究

楊志丹，張治杰

（海裝天津局 北京 100076）

0 引言

1 靜電起放電機理及靜電危害分析

任何兩種不同的物體或處于不同狀態(tài)的同一種物體，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，當這種不平衡的電荷產(chǎn)生了可以測量到的電場，這形成了物體的靜電帶電現(xiàn)象即靜電起電（electrostatic electrification）。帶靜電荷的物體通常稱為靜電源，當帶電體周圍的場強超過周圍介質(zhì)的絕緣擊穿場強時，導(dǎo)致介質(zhì)電離而使帶電體電荷瞬間部分或全部消失的現(xiàn)象，即靜電放電（ESD）。靜電放電能夠改變半導(dǎo)體器件的電性能，也能擾亂電子設(shè)備的正常操作，進而引起故障或損壞。

1.1 靜電起、放電過程

靜電產(chǎn)生與材料的電阻率、接觸面積、分離速度及環(huán)境濕度有關(guān)。電阻率越高，越易積聚電荷，靜電位越高，越不易泄漏。環(huán)境濕度對靜電產(chǎn)生的影響也很大，濕度為10%～20%時，產(chǎn)生的靜電要比濕度為70%～80%時高8%～40倍。靜電放電損傷主要是帶電體對器件的直接放電和電場感應(yīng)放電兩種情況。盡管決定一個物體帶電、放電的因素很多，但主要有下面幾個過程。

(a) 接觸— —分離起電、放電

它的起電主要指固體與固體之間的接觸——分離起電，就是指兩種不同的固體緊密接觸、分離以后在分離面上產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移，一些電子從疏電子類的物質(zhì)向親電子類的絕緣物質(zhì)轉(zhuǎn)移，帶上符號相反、電量相等的電荷，與之相似的靜電起電有剝離起電、破裂起電、電解起電等。當該帶電體接觸靜電放電敏感器件時就發(fā)生ESD事件。

(b) 電場感應(yīng)起電、放電

靜電敏感器件進入靜電場，就因感應(yīng)發(fā)生電荷再分布而帶電。例如帶電的靜電場使鄰近的導(dǎo)體極化。若感應(yīng)電荷有一個放電通路，則發(fā)生靜電放電。

(c) 溶性起電、放電

馬尾大橋跨江段主橋分左右幅，采用雙向八車道，橋面寬度42.5 m，設(shè)計荷載等級為城市-A級，抗震設(shè)防烈度等級為Ⅶ度。馬尾大橋主橋橋型布置如圖1所示，主跨采用240 m空腹式鋼-混凝土混合變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，其余各跨均采用變截面連續(xù)混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，主橋橋跨布置為795 m。

溶性起電可以使相對無害的電壓增大到危險的程度。電容器的儲存電量公式Q=CU（電荷量Q等于電容C乘以電壓U）顯示了電荷量與電壓的關(guān)系：當電荷量為常數(shù)時，電容減小將導(dǎo)致電壓增高。這樣，如果一個與地之間有較大電容的器件帶有無害的低電壓，當器件移動到對地較遠的距離時，則電容C變小，這個電壓就可能上升為有害電壓。例如當你拿起一個位于地板上的器件時，你就減小了它與地板之間的電容，從而升高電壓，此時，若將這個器件接地，它就可能因發(fā)生靜電放電而損壞。

1.2 靜電及靜電放電對電子產(chǎn)品損害原因

靜電對電子產(chǎn)品的危害具有普遍性、隨機性和隱蔽性的特點。靜電能吸附灰塵，降低器件絕緣電阻，導(dǎo)致產(chǎn)品損傷。電子元器件接觸或接近超過其靜電放電敏感閾值的帶電體，就可能發(fā)生ESD損傷，而且靜電還可以在任何兩種物體接觸分離的條件下產(chǎn)生，故靜電對電子元器件的損傷可能發(fā)生在產(chǎn)品的加工制造、使用、維護的任一環(huán)節(jié)，故具有普遍性和隨機性。人在操作過程中會帶上靜電，發(fā)生ESD時，人體一般無感覺，而電子元器件卻在人們不知不覺中受到損傷，因而有隱蔽性。其產(chǎn)生的影響原因如下：

(a) 放電電流或放電功率導(dǎo)致的損傷。如靜電放電時，導(dǎo)致半導(dǎo)體局部結(jié)溫度接近材料的熔融溫度，形成熔融短路故障；靜電放電使元器件的溫度升高，導(dǎo)致金屬化層熔化或鍵合引線燒熔故障；靜電放電形成半導(dǎo)體結(jié)區(qū)局部高溫，致使結(jié)的參數(shù)發(fā)生變化。

(b) 放電電壓導(dǎo)致的損傷。由于靜電放電，加在元器件絕緣區(qū)的電壓超過介質(zhì)固有的擊穿電壓時，會發(fā)生介質(zhì)擊穿。這種失效主要由于電壓而不是功率造成的。如果脈沖能量不足以使擊穿的材料融化，該元器件可以在電壓擊穿后恢復(fù)。然而，這種事故后，會呈現(xiàn)出較低的擊穿電壓和增加漏電電流，盡管元器件沒有失效，但形成潛在缺陷，繼續(xù)使用會導(dǎo)致失效。

(c) 靜電放電產(chǎn)生的電磁場幅度大、頻譜寬，對電子產(chǎn)品造成電磁干擾甚至損壞。

如果器件全部破壞，必能在生產(chǎn)及檢驗中被發(fā)現(xiàn)而排除產(chǎn)生的影響較小，如果元器件輕微受損，在正常測試下不易發(fā)現(xiàn)，在使用時才發(fā)現(xiàn)破壞，不但檢查不易，要耗費大量人力及財力才能查清所有問題，而且其損失也難以預(yù)測。

2 靜電放電防護原則與具體控制措施

從前面的分析可知靜電是在任何時間、任何地點都可能產(chǎn)生，當靜電積累到一定程度時就會發(fā)生放電而帶來危害。要完全消除靜電幾乎不可能的，但通過采取正確和適當?shù)撵o電防護和控制措施，就可以消除或控制靜電的發(fā)生，或控制把靜電在不造成危害的程度內(nèi)。

2.1 防護原則

靜電形成危害要同時具備3個條件：產(chǎn)生并積聚足夠的靜電、靜電場內(nèi)有靜電敏感的電子器件、靜電源與靜電易損件間的耦合能量大于靜電敏感度。因此，要針對這3個方面制定防護原則。

2.1.1 抑制起電

一是采用等電位外殼將防護的物件包圍起來，使內(nèi)部的物件也具有相等電位，不受外部靜電放電的影響，即使屏蔽殼帶有大量的靜電電荷，放電現(xiàn)象也只在殼外發(fā)生，內(nèi)部物件不受影響。防靜電包裝袋、儲物盒等可移動物采用這種方法。二是利用空氣中的帶電離子來中和物體表面的靜電電荷。對于有絕緣要求的非金屬物體表面，不能用屏蔽方法，對于金屬表面又不能接地的，一般采用這種方法。濕度較高的空氣環(huán)境（40%～80%）具有靜電中和作用。離子風機是專門向空氣中散發(fā)帶電離子的設(shè)備，也能夠有效地中和物體表面的靜電電荷。三是減小摩擦起電的可能性。如防靜電材料選用不易摩擦起電的材料。

2.1.2 控制積聚

通過接地連接將防靜電物體的表面與大地等電位，使因磨擦或感應(yīng)等原因產(chǎn)生的靜電電荷通過靜電接地泄放到大地中。如通過防靜電地墊、防靜電工作臺、防靜電椅子、防靜電腕帶、防靜電鞋及防靜電劑等控制積聚。

2.2 靜電放電控制措施

應(yīng)用上述方法，可以采取相應(yīng)的措施，達到防護和控制的目的。

2.2.1 建立防靜電環(huán)境

在有防靜電要求的環(huán)節(jié)，建立靜電防護環(huán)境。靜電防護系統(tǒng)一般采用如下措施：一是采用等電位搭接的方法，即將所有表面——防靜電地面、防靜電桌面、防靜電柜板面、防靜電座椅、防靜電車臺面、防靜電腕帶與人體接觸面等連接在一個可靠的接地體上，這些表面均使靜電荷積累減小，并且可使電荷以受控制的方式泄入到大地的材料，這樣防止不同物體之間產(chǎn)生電位差并且可以有效泄放靜電電荷。二是采用防靜電周轉(zhuǎn)箱、防靜電包裝袋防止起電。三是采用防靜電服裝、防靜電鞋，一方面有效抑制靜電荷的產(chǎn)生，另一方面當它們與地接觸時，還可實現(xiàn)靜電荷的泄放功能。運用防靜電劑噴涂在物體表面也可有效抑制靜電荷的積累。四是使用離子風靜電消除器和控制適宜的濕度來消除絕緣材料表面的靜電荷。五是采用測量監(jiān)控的方法，利用靜電檢測儀表檢測人體是否帶有靜電，監(jiān)測防靜電設(shè)施是否正常。

在整個靜電防護系統(tǒng)中，關(guān)鍵是系統(tǒng)接地，防靜電接地應(yīng)定期檢查。首先是接地體的接地，靜電接地最好采用獨立的接地體，接地體的接地電阻越小越好，最大不得大于4Ω。當靜電接地與設(shè)施接地合用一個接地體時，要求單點接地，各子系統(tǒng)接地的母線之間應(yīng)互相絕緣。靜電接地不允許和雷電接地合用一個接地體。其次是防靜電裝備的接地，防靜電地面、防靜電桌面、防靜電車、防靜電椅、防靜電腕帶等接地時應(yīng)串聯(lián)一個1MΩ的電阻后,再與接地體連接,使得地面、桌面、車臺面、椅面以及腕帶與人體皮膚的接觸面的對地電阻值為1066～1099Ω之間。原因是靜電泄漏速率取決于材料表面電阻及其介電常數(shù)。電阻率在1011～1015Ωcm的材料易產(chǎn)生靜電，且不易泄漏。電阻率在108Ωcm以下的材料不易產(chǎn)生靜電，即使產(chǎn)生靜電也較快泄漏，是靜電良導(dǎo)體。但電阻不能太低，太低有使人觸電的危險，并且還會因為泄漏電流大而損壞電器元件，故防靜電電阻控制在106～1099Ω范圍內(nèi)。

2.2.2 設(shè)計和生產(chǎn)過程中的防護措施

一是產(chǎn)品在設(shè)計階段，應(yīng)對可能產(chǎn)生的靜電放電失效或性能降低問題進行分析，要求設(shè)計人員使用低敏感度的器件，同時進行ESD防護網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，在電路上采取保護措施。二是在生產(chǎn)過程中為了盡量少地產(chǎn)生靜電荷，應(yīng)從工藝流程、材料選擇、設(shè)備安裝和操作管理等方面采取措施，控制電荷的產(chǎn)生和積聚，抑制靜電放電的強度，使之不超過危害的程度。

2.2.3 操作人員落實防護措施

凡進入放靜電區(qū)域的人員必須穿著防靜電服和防靜電鞋；不準在操作靜電敏感產(chǎn)品的現(xiàn)場穿上或脫去工作服（應(yīng)在指定的更衣場所進行更衣）；接觸具有防靜電要求產(chǎn)品和元器件的人員必須佩戴防靜電腕帶，并在防靜電工作臺上進行操作；應(yīng)制定防靜電的培訓計劃，以確保所有操作靜電敏感器件、產(chǎn)品的人員得到必要的培訓，并達到熟練的程度。

綜上，靜電放電的發(fā)生是不可避免的，但靜電放電的危害是可以預(yù)防的。只要有效防護設(shè)施，人員培訓、管理到位，靜電損傷就可以避免，電子裝備的可靠性就可以提高。

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