電子產(chǎn)業(yè)中靜電的產(chǎn)生與危害，提出并詳細(xì)論述了如何防止靜電對(duì)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(huì)遇到靜電現(xiàn)象。那么, 靜電到底是什么？它的產(chǎn)生機(jī)理以及它有哪些危害？如何預(yù)防和消除這些危害？ 這是我們必須考慮和解決的問(wèn)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(yīng)就會(huì)產(chǎn)生靜電。導(dǎo)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(fù)電荷在局部失衡時(shí)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(guò)程中所表現(xiàn)出的現(xiàn)象的總稱(chēng)，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(yīng)用。一方面隨著納米技術(shù)的日益發(fā)展，集成電路的集成密度越來(lái)越高，從而導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)間距越來(lái)越小，絕緣膜越來(lái)越薄，相應(yīng)的耐靜電擊穿電壓也越來(lái)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(yīng)用以及現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程的高速化, 以及人體活動(dòng)，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(jiàn)表1。
表1
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器件類(lèi)型
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耐靜電放電電壓值（V）
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奔騰處理器
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5
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EPROM芯片
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100
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CMOS
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250
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肖特基二極管
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300
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可控硅
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680
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同時(shí)人的活動(dòng)是主要的靜電源，僅某單位機(jī)房一臺(tái)計(jì)算機(jī)，在操作人員啟動(dòng)開(kāi)關(guān)按鈕的一剎那，突然發(fā)生故障停機(jī)，事后測(cè)得操作人員人體帶電電位高達(dá)6700伏，機(jī)內(nèi)印刷電路板（PCB）被打壞，損失近3萬(wàn)美元。而電子產(chǎn)品在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程中所產(chǎn)生的靜電電壓卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(shù)指標(biāo)，降低其可靠性。由此可見(jiàn)，靜電是電子行業(yè)發(fā)展中的一大障礙。所以預(yù)防靜電必須提到議事日程上來(lái)，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量。
ESD是電子工業(yè)中普遍存在的＂ 硬病毒＂，在某個(gè)內(nèi)外因條件具備的時(shí)刻便會(huì)發(fā)作。為使電子器件及產(chǎn)品在購(gòu)買(mǎi)、入庫(kù)、發(fā)料、檢驗(yàn)、儲(chǔ)存、調(diào)測(cè)和安裝等過(guò)程中免受靜電危害,了解靜電產(chǎn)生的機(jī)理和一些防止靜電產(chǎn)生危害的相關(guān)知識(shí)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(lèi)：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(zhì)擊穿。
1、靜電吸附
在半導(dǎo)體元器件的生產(chǎn)制造過(guò)程中, 由于大量使用了石英及高分子物質(zhì)制成的器具和材料，其絕緣度很高，在使用過(guò)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(lái)愈高。表1列出了半導(dǎo)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
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名 稱(chēng)
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靜電電位(kV)
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芯 片
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5.0
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工作臺(tái)表面
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35
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操作人員
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100
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從表2可見(jiàn)，它們的靜電電位都很高。由于靜電的力學(xué)效應(yīng)，在這種情況下很容易使工作場(chǎng)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(dǎo)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(zhì)擊穿的分類(lèi)
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(qiáng)電場(chǎng)中，隨著電場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)，電荷不斷積累，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，電介質(zhì)會(huì)失去極化特征而成為導(dǎo)體，產(chǎn)生介質(zhì)的熱損壞現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電介質(zhì)的擊穿。介質(zhì)擊穿分熱擊穿、化學(xué)擊穿和電擊穿三種形式。
（1）熱擊穿
介質(zhì)工作時(shí)，當(dāng)損耗產(chǎn)生的熱量大于介質(zhì)向周?chē)l(fā)的熱量時(shí)，介質(zhì)的溫度迅速升高，導(dǎo)電隨之增加，直至介質(zhì)的熱損壞。可見(jiàn)熱擊穿的核心問(wèn)題是散熱問(wèn)題。所以熱設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一。
（2）化學(xué)擊穿
在高壓下，強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)在介質(zhì)表面或內(nèi)部的缺陷小孔附近產(chǎn)生局部空氣碰撞電離，引起介質(zhì)電輝，生成化學(xué)物質(zhì)--臭氧和二氧化碳，使絕緣性能降低，致使介質(zhì)損壞。
（3）電擊穿
電擊穿是介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下, 被擊發(fā)出自由電子而引起的。自由電子隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而急劇增加，從而破壞介質(zhì)的絕緣性能。可見(jiàn)電擊穿的本質(zhì)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(chǔ)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(fù)雜，控制起來(lái)也比較麻煩。半導(dǎo)體器件的軟擊穿就與它有關(guān)。
（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、電裝中普遍、嚴(yán)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長(zhǎng)久性失效，如器件的輸出與輸入開(kāi)路或短路。軟擊穿則可使器件的性能劣化，并使其指標(biāo)參數(shù)降低而造成故障隱患。由于軟擊穿可使電路時(shí)好時(shí)壞（指標(biāo)參數(shù)降低所致），且不易被發(fā)現(xiàn)，給整機(jī)運(yùn)行和查找故障造成很**煩。軟擊穿時(shí)設(shè)備仍能帶"病"工作，性能未發(fā)生根本變化，很可能通過(guò)出廠(chǎng)檢驗(yàn)，但隨時(shí)可能造成再次失效。多次軟擊穿就能造成硬擊穿，使設(shè)備運(yùn)行不正常，既給用戶(hù)造成損失，也影響廠(chǎng)家聲譽(yù)和產(chǎn)品的銷(xiāo)售，甚至?xí)o國(guó)家造成無(wú)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(duì)電子設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾的一個(gè)主要原因是人體靜電放電。人體靜電放電既可能造成了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(yīng)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(jī)械能在活動(dòng)中轉(zhuǎn)換為電能。人體是一個(gè)靜電導(dǎo)體，當(dāng)與大地絕緣時(shí)（如穿的鞋底為絕緣物質(zhì)），人體與大地就形成一個(gè)電容，使電荷儲(chǔ)存起來(lái)，其充電電壓一般≤50kV。表3反映的是不同條件下人的各種動(dòng)作所產(chǎn)生的靜電電壓（單位：KV）.
表 3
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動(dòng)作
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相對(duì)濕度
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10%RH
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40%RH
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55%RH
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人在塑膠地板上行走
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12
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5
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3
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人在塑膠工作臺(tái)上工作
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6
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0.8
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0.4
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在塑料臺(tái)面上滑動(dòng)塑料盒
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18
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9
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2
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從泡沫塑料包裝中取出PCB
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21
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11
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5.5
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由表3可見(jiàn)，一個(gè)很常見(jiàn)、很細(xì)微的動(dòng)作就會(huì)引起相當(dāng)高的靜電電壓。當(dāng)人體帶電放電時(shí)，人體會(huì)有不同程度的反映，這種反映稱(chēng)為電擊感度。當(dāng)人體受到靜電電擊時(shí)，雖不會(huì)發(fā)生重大生理障礙，但可能會(huì)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(guān)系。
表 4
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人體電位（kV）
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電 擊 感 度
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備 注
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1．0
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無(wú)感覺(jué)
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2．0
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手指外側(cè)有感覺(jué)
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發(fā)出微弱的放電聲
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2．5
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有針刺的感覺(jué)，但不疼
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3.0
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有像針刺樣的痛感
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4．0
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有針刺的感覺(jué)，手指微疼
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見(jiàn)到放電微光
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6．0
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手指感到劇疼，手腕感到沉重
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10．0
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手腕感到劇疼，手感到麻木
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12．0
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手指劇麻，整個(gè)手感到被強(qiáng)烈電擊
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由表4可見(jiàn)，電擊傷害發(fā)生的極限是3.0KV.同時(shí)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(shù)（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(shè)計(jì)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、可靠的泄放通道
d)、對(duì)防靜電措施的有效性進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控
1、把靜電控制體現(xiàn)到設(shè)計(jì)中
（1）生產(chǎn)環(huán)境的防靜電設(shè)計(jì)
電子產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境的防靜電設(shè)計(jì)是ESD控制的關(guān)鍵所在,設(shè)計(jì)的依據(jù)是電子器件絕緣膜、整機(jī)中靜電敏感器件（ESDS）的耐靜電擊穿電壓以及生產(chǎn)設(shè)備的耐靜電性能。制造商必須確定一個(gè)特殊的ESD控制級(jí)別，該級(jí)別由生產(chǎn)過(guò)程中較為敏感的元件所決定，生產(chǎn)環(huán)境必須保障該級(jí)別的可靠性。根據(jù)DGJ08-83-2000《防靜電工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，控制靜電的工程設(shè)計(jì)具體分為三級(jí)：**標(biāo)準(zhǔn)為控制室內(nèi)靜電電位**值不大于100V; 二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為控制室內(nèi)靜電電位**值不大于200V; 三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為控制室內(nèi)靜電電位**值不大于1000V。防靜電工程分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)適用場(chǎng)所如下表5：
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防靜電級(jí)別
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適用場(chǎng)所
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**
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1.微電子電路制造和測(cè)試場(chǎng)所
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2.電子產(chǎn)品生產(chǎn)中操作**敏感器件場(chǎng)所
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3.航空、航天、國(guó)家可靠等部門(mén)的信息管理和指揮中心
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二級(jí)
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1.以程控交換機(jī)為代表的各類(lèi)通訊機(jī)房
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2.金融、證券系統(tǒng)的結(jié)算中心
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3.重要經(jīng)濟(jì)部門(mén)電力、交通等自動(dòng)化監(jiān)控、調(diào)度系統(tǒng)
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三級(jí)
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1.除上述以外的一般計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)
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2.除上述以外的電子器件和整機(jī)的組裝調(diào)試場(chǎng)所
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3.智能化建筑中電腦操作場(chǎng)所以及重要的公共活動(dòng)場(chǎng)所
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由于靜電破壞于無(wú)形，故消除ESD危害，要以預(yù)防為主，防患于未然。作業(yè)區(qū)中必須設(shè)置靜電保護(hù)區(qū)域(EPA, electrostatic protected area)。根據(jù)IEC1340-5-1（1995）《電子器件防護(hù)規(guī)范一般要求》中，對(duì)EPA的核心要**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?yàn)镋SD不會(huì)發(fā)生在保持相同電勢(shì)或零電勢(shì)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。
