技術(shù)文章

電子元器件的靜電解決辦法

１．靜電放電

靜電放電（ESD）是大家熟知的電磁兼容問(wèn)題，它可引起電子設(shè)備失靈或使其損壞。當(dāng)半導(dǎo)體器件單獨(dú)放置或裝入電路模塊時(shí)，即使沒(méi)有加電，也可能造成這些器件的長(zhǎng)期性損壞。對(duì)靜電放電敏感的元件被稱(chēng)為靜電放電敏感元件（ESDS）。

如果一個(gè)元件的兩個(gè)針腳或更多針腳之間的電壓超過(guò)元件介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度，就會(huì)對(duì)元件造成損壞。這是MOS器件出現(xiàn)故障主要的原因。氧化層越薄，則元件對(duì)靜電放電的敏感性也越大。故障通常表現(xiàn)為元件本身對(duì)電源有一定阻值的短路現(xiàn)象。對(duì)于雙極性元件，損壞一般發(fā)生在薄氧化層隔開(kāi)的已進(jìn)行金屬?lài)婂兊挠性窗雽?dǎo)體區(qū)域，因此會(huì)產(chǎn)生泄漏嚴(yán)重的路徑。

另一種故障是由于節(jié)點(diǎn)的溫度超過(guò)半導(dǎo)體硅的熔點(diǎn)（1415℃）時(shí)所引起的。靜電放電脈沖的能量可以產(chǎn)生局部地方發(fā)熱，因此出現(xiàn)這種機(jī)理的故障。即使電壓低于介質(zhì)的擊穿電壓，也會(huì)發(fā)生這種故障。一個(gè)典型的例子是，NPN型三極管發(fā)射極與基極間的擊穿會(huì)使電流增益急劇降低。

器件受到靜電放電的影響后，也可能不立即出現(xiàn)功能性的損壞。這些受到潛在損壞的元件通常被稱(chēng)為“跛腳”，一旦加以使用，將會(huì)對(duì)以后發(fā)生的靜電放電或傳導(dǎo)性瞬態(tài)表現(xiàn)出更大的敏感性。

要密切注意元件在不易察覺(jué)的放電電壓下發(fā)生的損壞，這一點(diǎn)非常重要。人體有感覺(jué)的靜電放電電壓在3000 — 5000V之間，然而，元件發(fā)生損壞時(shí)的電壓僅幾百伏。

靜電放電的危害效應(yīng)是在二十世紀(jì)七十年代開(kāi)始認(rèn)識(shí)到的，這是由于新技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致元件對(duì)靜電放電的損壞越來(lái)越敏感。靜電放電造成的損失每年可達(dá)到幾百萬(wàn)美元以上。因此，許多大型的元件和設(shè)備制造廠引進(jìn)專(zhuān)業(yè)技術(shù)以減小生產(chǎn)環(huán)境中的靜電積累，從而使產(chǎn)品合格率和可靠性提高了許多。用戶(hù)根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)也懂得了防治靜電放電損害的重要性。

２．如何對(duì)付靜電放電？

控制靜電積累的弟、一步是要弄清楚靜電荷的產(chǎn)生機(jī)理。

靜電電壓是由不同種類(lèi)的物質(zhì)相互接觸與分離而產(chǎn)生。盡管摩擦能夠使電荷積累得更多，但是摩擦并不是必要的。這種效應(yīng)即是大家熟知的摩擦起電，所產(chǎn)生的電壓取決于相互摩擦的材料本身的特性。磨擦起電序列表列出了各類(lèi)物質(zhì)的帶電難易程度。對(duì)于相互接觸的兩種物質(zhì)，電子會(huì)從序列表較上的物質(zhì)轉(zhuǎn)向較下的物質(zhì)，這樣就會(huì)使兩種物質(zhì)分別帶正負(fù)電荷。序列表中的物質(zhì)離得越遠(yuǎn)，各自所帶的電荷數(shù)量也越大。常見(jiàn)物質(zhì)的磨擦起電序列如下表所示：

表1摩擦起電序列

●　人體

＋

－

●　玻璃

●　云母

●　聚酰胺

●　毛織品

●　毛皮

●　絲綢

●　鋁

●　紙

●　棉花

●　鋼鐵

●　木頭

●　硬橡膠

●　聚脂薄膜

●　聚乙烯

●　聚氯乙烯

●　聚四氟乙烯（PVC）大多數(shù)是負(fù)極性的

電荷也可通過(guò)感應(yīng)產(chǎn)生，這是帶電體使其附近的另一物體上的電荷發(fā)生分離的結(jié)果

３．實(shí)際問(wèn)題解決

問(wèn)題的解決包括：如果靜電放電敏感元件（ESDS）在生產(chǎn)和維護(hù)期間暴露在外面，那么在這些元件附近，應(yīng)防止電荷的積累，并且在運(yùn)輸和保管過(guò)程中，將這些元件按防靜電放電的方法包裝。

防止靜電放電，有許多方法可以采用。好的辦法是滿(mǎn)足要求且成本低的方法，這樣的方法對(duì)于不同的產(chǎn)品和不同的場(chǎng)合都是不同的。

４．靜電放電保護(hù)區(qū)域（EPA）

靜電放電保護(hù)區(qū)域（EPA），有時(shí)指可靠操作區(qū)，是任意一種靜電放電控制措施的核心所在。在此區(qū)域中，靜電放電敏感元件（ESDS）或電路板，或包含這些的組件，都可以很可靠地工作，因?yàn)殡姾傻臄?shù)量得到控制，而不會(huì)產(chǎn)生破壞性電壓。這種區(qū)域中通常包含工作臺(tái)或工作臺(tái)組、工作站、自動(dòng)插件機(jī)一類(lèi)的處理設(shè)備或者一塊生產(chǎn)區(qū)。EPA的范圍必須清楚的標(biāo)明，設(shè)置一圍欄以防止未經(jīng)允許的無(wú)關(guān)人員入內(nèi)。EPA區(qū)域內(nèi)應(yīng)使用靜電荷積累較小的材料，并且可使電荷以受控制的方式泄入到大地中。

靜電放電保護(hù)區(qū)

A1接地輪	A2接地滑片	A3接地面	B1腕套測(cè)試器	B2腳跟接地測(cè)試器	B3腳跟接地底板
C1腕套和腕套繩	C2接地線	C3靜電放電接地設(shè)施	C4地	C5接地搭接點(diǎn)	C6大地接地點(diǎn)
C7手套	C8腳趾和腳跟帶箍	D1電離劑	E1工作面	F1腿和座套已接地的轉(zhuǎn)椅	G1人體接地地板
H1工作服	H2工作帽	I1具有接地面的擱板	I2接地機(jī)架	J1靜電放電保護(hù)區(qū)標(biāo)志

典型的靜電放電保護(hù)區(qū)如圖1所示，此圖摘自EN100015-1，其中許多是新近的。該圖給出了各種可能的措施，但并沒(méi)有必要全部使用這些措施，這主要由特定的環(huán)境決定。所采用的其本原理就是等電位搭接，即將所有表面連接在一起，防止不同物體之間產(chǎn)生電位差。

工作面[E1]是靜電損耗性的，通過(guò)靜電放電的接地設(shè)施[C3]連接到地[C4]。工作站的操作人員通過(guò)導(dǎo)電腕[C1]上的導(dǎo)線和地電位點(diǎn)相連，然而，對(duì)于活動(dòng)頻繁的人員，通過(guò)腳跟和腳趾帶箍[C8]與靜電損耗地板[G1]相通（即接地）。腕套的接地導(dǎo)線在接地點(diǎn)[C5]處進(jìn)行端接。

操作人員所穿的破舊工作服[H1、H2]也應(yīng)是靜電損耗性的，并在靠近靜電放電敏感元件附近遮住工作人員自己的衣服，所有破舊的手套也應(yīng)是導(dǎo)電材料的。

轉(zhuǎn)椅[F1]不應(yīng)視為操作人員接地的基本方法，但值得注意的是，轉(zhuǎn)椅上必須鋪一層抗靜電的材料，使座套、靠背和扶手均有與地相通的路徑。

元件應(yīng)存放在帶有接地面的擱板[I1]上，或者是接地的機(jī)架[I2]上。這些東西與工作臺(tái)都應(yīng)通過(guò)接地導(dǎo)線[C2]與靜電放電的地面相接。

當(dāng)用手推車(chē)裝運(yùn)元件或子配件時(shí)，其表面導(dǎo)電性能應(yīng)與工作面和導(dǎo)電機(jī)架的導(dǎo)電性能相似。如果接地輪[A1]導(dǎo)電性良好，且與手推車(chē)車(chē)架電氣連接，那么不再需要使用接地滑片了。如果EPA的地板沒(méi)有接地，那么當(dāng)手推車(chē)停下來(lái)裝卸東西時(shí)，則應(yīng)將其接地點(diǎn)[C6]與大地接地點(diǎn)[C5]相連。

在操作人員的正常工作期間，對(duì)所采用的這些措施的效果應(yīng)該用靜電伏特計(jì)測(cè)量其靜電勢(shì)和靜電場(chǎng)來(lái)評(píng)估。

在保護(hù)區(qū)內(nèi)和進(jìn)出口處，應(yīng)使用標(biāo)志[J1]來(lái)提醒他們注意。

應(yīng)對(duì)腕套及其接地導(dǎo)線用導(dǎo)通測(cè)試儀定期進(jìn)行檢測(cè)。導(dǎo)電輪和腳趾帶箍也應(yīng)作類(lèi)似的檢測(cè)[B2，B3]。

５．可靠性

EPA內(nèi)一般有加電的工具和設(shè)備。在這種環(huán)境中，將單個(gè)物件或設(shè)備直接連接到地是很危險(xiǎn)的。正是由于此原因，腕套接地導(dǎo)線、轉(zhuǎn)輪及腳趾帶箍的連接處均要串入一只不低于1M的電阻。有些腕套接地導(dǎo)線的每端均有一只這樣的電阻，因此，即使腕套接地導(dǎo)線接在加電維修的產(chǎn)品的帶電接線端，也不會(huì)有危險(xiǎn)。

腕套接地導(dǎo)線測(cè)試儀是一種檢測(cè)電阻的阻值是否合適（如果太高，不可能實(shí)現(xiàn)等電勢(shì)搭接；如果太低，會(huì)出現(xiàn)可靠危害）的儀器。

腕套接地導(dǎo)線要配以可快速拔下的與其它電氣插座不兼容的插頭，這樣可以保證它不會(huì)誤插到其它電氣插座上，并且，在緊急情況下容易拔下。

６．靜電放電保護(hù)區(qū)內(nèi)的實(shí)際工作

在靜電放電保護(hù)區(qū)內(nèi)，如果不遵守明確的工作規(guī)范，電荷和電勢(shì)就不能保持在允許的范圍內(nèi)。一些會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題的例子包括：將裝在不抗靜電的塑料封面內(nèi)的文件、塑料容器、杯子等帶進(jìn)靜電放電保護(hù)區(qū)內(nèi)，使用會(huì)破壞地板或工作表面靜電特性的清潔劑。

有關(guān)人員應(yīng)接受足夠的訓(xùn)練，不僅學(xué)習(xí)需要遵守的規(guī)程，還要了解必須遵守這些規(guī)程的理由。了解可能損壞的元件的有關(guān)參數(shù)也是有用處的。

應(yīng)指定專(zhuān)人負(fù)責(zé)靜電放電保護(hù)區(qū)的保養(yǎng)與維護(hù)，同時(shí)還要對(duì)規(guī)程的執(zhí)行情況進(jìn)行檢查。這些檢查也應(yīng)作為質(zhì)量管理體系認(rèn)證的一部分加以核查。

７．運(yùn)輸與存放

運(yùn)輸帶引腳的元件時(shí)，通常使用導(dǎo)電泡沫材料。這可以防止元件引腳間出現(xiàn)較高的電勢(shì)差，對(duì)于雙列直插式封裝的元件，在散裝運(yùn)輸過(guò)程中常采用靜電損耗性管。

對(duì)于線路板組件，當(dāng)位于靜電放電保護(hù)區(qū)外時(shí)，應(yīng)將其置于靜電屏蔽袋或?qū)щ姲徇\(yùn)箱內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸。有的包裝袋使用導(dǎo)電材料制成，它可確保所有元件在穩(wěn)定條件下處于同一電勢(shì)，同時(shí)將偶然跑到袋上的靜電荷耗散掉。這種方法不能用于帶電池的電路板，對(duì)于這種情況，應(yīng)采用襯里是靜電損耗性材料的，而外層是導(dǎo)電材料的包裝袋。這種袋子的價(jià)格更高，但可對(duì)加電和未加電的組件提供極好的保護(hù)作用。同樣，內(nèi)部裝有固定電路板的導(dǎo)軌的導(dǎo)電箱不能與邊緣上有裸露連接器的加電電路板一起使用。

８．現(xiàn)場(chǎng)維修

現(xiàn)場(chǎng)需要維修的產(chǎn)品上要設(shè)置一個(gè)靜電連接點(diǎn)，這樣，維修技術(shù)人員在打開(kāi)設(shè)備的蓋子之前，可以將腕套的接地導(dǎo)線連上。備件應(yīng)放在靜電屏蔽袋或箱子中進(jìn)行運(yùn)輸，除非備件中不包含靜電放電敏感元件。如果模塊工作在暴露狀態(tài)下，應(yīng)將靜電損耗性地板墊連接到產(chǎn)品的靜電搭接點(diǎn)上，作為工作面使用。

９．有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1987年，英國(guó)進(jìn)行了將實(shí)踐規(guī)程編制成文件的弟、一次嘗試，其成果是BS5783。與其說(shuō)這是一個(gè)關(guān)于應(yīng)該進(jìn)行哪些檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，更不如稱(chēng)其為一個(gè)實(shí)踐規(guī)范條款。這項(xiàng)工作的弟、二階段是將這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換歐洲組織中的一個(gè)規(guī)范，其編號(hào)是CECC 000151，其標(biāo)題為：“基本規(guī)范：靜電敏感元件的保護(hù)弟、一部分：總體要求”。該標(biāo)準(zhǔn)1991年出版，1992年重新編號(hào)為EN 1000151。其它部分在1993年（弟、二部分：低濕度條件要求）和1994年（弟三部分：清潔區(qū)要求，弟四部分：高壓環(huán)境要求）出版。這些部分的內(nèi)容超出本文討論范圍。

標(biāo)準(zhǔn)不僅包括安裝、維護(hù)和檢驗(yàn)本文所述的措施方面的要求，而且也詳細(xì)闡述了包括測(cè)試方法在內(nèi)的靜電保護(hù)器件自身的詳細(xì)要求。

技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)中積累的經(jīng)驗(yàn)，以及自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備的普遍使用，使這些標(biāo)準(zhǔn)得到不斷完善，包括使其結(jié)構(gòu)更加合理化，同時(shí)將用戶(hù)指南從標(biāo)準(zhǔn)化版本中分離出來(lái)。修訂工作已納入國(guó)際電工委員會(huì)所組織的國(guó)際論壇中，新制定的標(biāo)準(zhǔn)將在IEC 1340系列中發(fā)布，毫無(wú)疑問(wèn)，這與歐洲標(biāo)準(zhǔn)是相輔相成的。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)部分如表2示：

表2 國(guó)際電工委員會(huì)1340方案結(jié)構(gòu)

IEC 1340-1	概要
IEC 1340-1-1	靜電原理指南
IEC 1340-1-2	定義與術(shù)語(yǔ)
IEC 1340-2	靜電測(cè)量方法
IEC 1340-2-1	靜電荷的消耗
IEC 1340-2-2	可充電性
IEC 1340-2-3	電阻及電阻系數(shù)
IEC 1340-3	靜電效應(yīng)模擬方法
IEC 1340-3-1	人體模型
IEC 1340-3-2	機(jī)器模型
IEC 1340-3-3	充電元件模型
IEC 1340-3-4	場(chǎng)效應(yīng)模型
IEC 1340-4	特殊場(chǎng)合下的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法
IEC 1340-4-1	地板墊子的估測(cè)
IEC 1340-4-2	包裝
IEC 1340-4-3	鞋類(lèi)
IEC 1340-5	靜電敏感元件的防護(hù)細(xì)則
IEC 1340-5-1	總體需求
IEC 1340-5-2	用戶(hù)指南
IEC 1340-6	靜電控制技術(shù)及評(píng)測(cè)其效應(yīng)的方法
IEC 1340-6-1	電離劑

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