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電子工業(yè)中的靜電控制技術

電子產(chǎn)業(yè)中靜電的產(chǎn)生與危害，提出并詳細論述了如何防止靜電對電子產(chǎn)品損害的有效措施。

一、概述

        在人們的日常生活和工作中, 經(jīng)常會遇到靜電現(xiàn)象。那么, 靜電到底是什么？它的產(chǎn)生機理以及它有哪些危害？如何預防和消除這些危害？ 這是我們必須考慮和解決的問題。
1、什么是靜電？
        靜電是客觀存在的自然現(xiàn)象，是一種電能，只要物體之間相互摩擦、剝離、感應就會產(chǎn)生靜電。導體與絕緣體相接觸、絕緣體與絕緣體相接觸，都容易產(chǎn)生靜電。它存在于物體表面，是正負電荷在局部失衡時產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。靜電現(xiàn)象是指電荷在產(chǎn)生與消失過程中所表現(xiàn)出的現(xiàn)象的總稱，如摩擦起電就是一種靜電現(xiàn)象。
2.、為什么要防靜電？
        靜電放電(ESD, electrostatic discharge) 已經(jīng)成為電子工業(yè)的隱形殺手。由于電子行業(yè)的迅速發(fā)展，體積小、集成度高的器件得到大規(guī)模生產(chǎn)和應用。一方面隨著納米技術的日益發(fā)展，集成電路的集成密度越來越高，從而導致導線間距越來越小，絕緣膜越來越薄，相應的耐靜電擊穿電壓也越來越低；另一方面，一些表面電阻率很高的高分子材料如塑料、橡膠制品的廣泛應用以及現(xiàn)代生產(chǎn)過程的高速化, 以及人體活動，使靜電能積累到很高的程度,具備了可怕的破壞性.不同的靜電敏感器件受靜電損傷的閾值電壓見表1。
表1
器件類型
耐靜電放電電壓值（V）
奔騰處理器
5
EPROM芯片
100
CMOS
250
肖特基二極管
300
可控硅
680
同時人的活動是最主要的靜電源，僅某單位機房一臺計算機，在操作人員啟動開關按鈕的一剎那，突然發(fā)生故障停機，事后測得操作人員人體帶電電位高達6700伏，機內印刷電路板（PCB）被打壞，損失近3萬美元。而電子產(chǎn)品在生產(chǎn)、運輸、儲存和轉運等過程中所產(chǎn)生的靜電電壓卻遠遠超過其擊穿電壓閾值，這就可能造成器件的擊穿或失效，影響產(chǎn)品的技術指標，降低其可靠性。由此可見，靜電是電子行業(yè)發(fā)展中的一大障礙。所以預防靜電必須提到議事日程上來，以確保產(chǎn)品的質量。
 ESD是電子工業(yè)中普遍存在的＂ 硬病毒＂，在某個內外因條件具備的時刻便會發(fā)作。為使電子器件及產(chǎn)品在購買、入庫、發(fā)料、檢驗、儲存、調測和安裝等過程中免受靜電危害,了解靜電產(chǎn)生的機理和一些防止靜電產(chǎn)生危害的相關知識是非常必要和重要的。
二、電子行業(yè)中靜電危害的形成
        電子行業(yè)中靜電危害可分為兩類：一是由靜電引力引起的浮游塵埃的吸附；二是由靜電放電引起的介質擊穿。
1、靜電吸附
在半導體元器件的生產(chǎn)制造過程中, 由于大量使用了石英及高分子物質制成的器具和材料，其絕緣度很高，在使用過程中一些不可避免的摩擦可造成其表面電荷不斷積聚且電位愈來愈高。表1列出了半導體元器件及其使用環(huán)境中部分物品表面的靜電電位。
表 2
名 　稱
靜電電位(kV)
芯　片
5.0
工作臺表面
35
操作人員
100
        從表2可見，它們的靜電電位都很高。由于靜電的力學效應，在這種情況下很容易使工作場所的浮游塵埃吸附于芯片表面，而很小的塵埃吸附都有可能影響半導體器件的良好性能。所以電子產(chǎn)品的生產(chǎn)必須在清潔環(huán)境中操作，并且操作人員、器具及環(huán)境必須采取一系列的防靜電措施，以防止和降低靜電危害的形成。
2、介質擊穿的分類
        由靜電引起元器件的擊穿是電子工業(yè)中靜電危害的主要方式。在強電場中，隨著電場強的增強，電荷不斷積累，當達到一定程度時，電介質會失去極化特征而成為導體，最后產(chǎn)生介質的熱損壞現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為電介質的擊穿。介質擊穿分熱擊穿、化學擊穿和電擊穿三種形式。
（1）熱擊穿
       介質工作時，當損耗產(chǎn)生的熱量大于介質向周圍散發(fā)的熱量時，介質的溫度迅速升高，導電隨之增加，直至介質的熱損壞?？梢姛釗舸┑暮诵膯栴}是散熱問題。所以熱設計是產(chǎn)品設計的重要環(huán)節(jié)之一。
（2）化學擊穿
        在高壓下，強電場會在介質表面或內部的缺陷小孔附近產(chǎn)生局部空氣碰撞電離，引起介質電輝，生成化學物質--臭氧和二氧化碳，使絕緣性能降低，致使介質損壞。
（3）電擊穿
        電擊穿是介質在強電場作用下, 被擊發(fā)出自由電子而引起的。自由電子隨電場強度的增加而急劇增加，從而破壞介質的絕緣性能?？梢婋姄舸┑谋举|是電荷積聚所致, 因而防止電荷積聚就可防止電擊穿。
3、靜電的擊穿與放電
（1）靜電放電
         靜電放電與外加穩(wěn)定電源產(chǎn)生的放電雖然同為電荷積聚所致，但又有著明顯的區(qū)別。首先，在靜電放電的情況下，起放電電源是空間電荷，因而它所儲存的能量是有限的，不像外加電源那樣具有持續(xù)放電的能力，故它僅能提供短暫發(fā)生的局部擊穿能量。雖然靜電放電的能量較小, 但其放電波形很復雜，控制起來也比較麻煩。半導體器件的軟擊穿就與它有關。
（2）靜電擊穿
        由靜電擊穿引起的元器件擊穿損壞是電子工業(yè)中，特別是電子產(chǎn)品制造、電裝中最普遍、最嚴重的危害。靜電放電可能造成器件硬擊穿或軟擊穿。硬擊穿是一次性造成器件的永久性失效，如器件的輸出與輸入開路或短路。軟擊穿則可使器件的性能劣化，并使其指標參數(shù)降低而造成故障隱患。由于軟擊穿可使電路時好時壞（指標參數(shù)降低所致），且不易被發(fā)現(xiàn)，給整機運行和查找故障造成很大麻煩。軟擊穿時設備仍能帶"病"工作，性能未發(fā)生根本變化，很可能通過出廠檢驗，但隨時可能造成再次失效。多次軟擊穿就能造成硬擊穿，使設備運行不正常，既給用戶造成損失，也影響廠家聲譽和產(chǎn)品的銷售，甚至會給國家造成無法挽回的損失。
4、人體靜電
       在工業(yè)生產(chǎn)中，引起元器件損壞和對電子設備的正常運行產(chǎn)生干擾的一個主要原因是人體靜電放電。人體靜電放電既可能造成人體遭電擊而受傷害，又可能引發(fā)二次事故（即器件損壞），因此人體靜電應引起足夠重視。人體形成靜電的原因是人體在日常工作中，把人體所消耗的機械能在活動中轉換為電能。人體是一個靜電導體，當與大地絕緣時（如穿的鞋底為絕緣物質），人體與大地就形成一個電容，使電荷儲存起來，其充電電壓一般≤50kV。表3反映的是不同條件下人的各種動作所產(chǎn)生的靜電電壓（單位：KV）.
  表 3
動作
相對濕度
10%RH
40%RH
55%RH
人在塑膠地板上行走
12
5
3
人在塑膠工作臺上工作
6
0.8
0.4
在塑料臺面上滑動塑料盒
18
9
2
從泡沫塑料包裝中取出PCB
21
11
5.5
        由表3可見，一個很常見、很細微的動作就會引起相當高的靜電電壓。當人體帶電放電時，人體會有不同程度的反映，這種反映稱為電擊感度。當人體受到靜電電擊時，雖不會發(fā)生重大生理障礙，但可能會影響人體健康或傷害人體。表4為人體靜電電位和電擊感度的關系。
                                                                表 4
人體電位（kV）
電 擊 感 度
備 注
1．0
無感覺
 
2．0
手指外側有感覺
發(fā)出微弱的放電聲
2．5
有針刺的感覺，但不疼
 
3.0
有像針刺樣的痛感
 
4．0
有針刺的感覺，手指微疼
見到放電微光
6．0
手指感到劇疼，手腕感到沉重
 
10．0
手腕感到劇疼，手感到麻木
 
12．0
手指劇麻，整個手感到被強烈電擊
 
        由表4可見，電擊傷害發(fā)生的極限是3.0KV.同時帶靜電的人體去觸摸靜電敏感器件，從而造成這些敏感器件的損傷。
 
三．防靜電控制技術（措施）
根據(jù)靜電放電發(fā)生的原理、危害及規(guī)律，為了防止靜電放電造成危害可以遵循以下原則，建立起有效的防靜電控制措施。
a)、把靜電控制體現(xiàn)到設計中
b)、防止靜電電荷的積聚,抑制、減少靜電的產(chǎn)生
c)、建立快速、安全的泄放通道
d)、對防靜電措施的有效性進行檢測和監(jiān)控
1、把靜電控制體現(xiàn)到設計中
（1）生產(chǎn)環(huán)境的防靜電設計
電子產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境的防靜電設計是ESD控制的關鍵所在,設計的依據(jù)是電子器件絕緣膜、整機中靜電敏感器件（ESDS）的耐靜電擊穿電壓以及生產(chǎn)設備的耐靜電性能。制造商必須確定一個特殊的ESD控制級別，該級別由生產(chǎn)過程中最為敏感的元件所決定，生產(chǎn)環(huán)境必須保障該級別的安全性。根據(jù)DGJ08-83-2000《防靜電工程技術規(guī)程》規(guī)定，控制靜電的工程設計具體分為三級：一級標準為控制室內靜電電位絕對值不大于100V; 二級標準為控制室內靜電電位絕對值不大于200V; 三級標準為控制室內靜電電位絕對值不大于1000V。防靜電工程分級標準適用場所如下表5：
防靜電級別
適用場所
一級
1.微電子電路制造和測試場所
2.電子產(chǎn)品生產(chǎn)中操作一級敏感器件場所
3.航空、航天、國家安全等部門的信息管理和指揮中心
二級
1.以程控交換機為代表的各類通訊機房
2.金融、證券系統(tǒng)的結算中心
3.重要經(jīng)濟部門電力、交通等自動化監(jiān)控、調度系統(tǒng)
三級
1.除上述以外的一般計算機處理系統(tǒng)
2.除上述以外的電子器件和整機的組裝調試場所
3.智能化建筑中電腦操作場所以及重要的公共活動場所
由于靜電破壞于無形，故消除ESD危害，要以預防為主，防患于未然。作業(yè)區(qū)中必須設置靜電保護區(qū)域(EPA, electrostatic protected area)。根據(jù)IEC1340-5-1（1995）《電子器件防護規(guī)范一般要求》中，對EPA的核心要求是等電位搭接，即將人員、材料、工作面連接在一起并電氣連接到公共地，防止不同物體之間產(chǎn)生電位差，因為ESD不會發(fā)生在保持相同電勢或零電勢的材料之間，所以EPA環(huán)境中的ESDS器件或電路板，都可以免受ESD損害。

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