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技術文章

電子元器件的靜電解決方案
電子元器件的靜電解決方案
１．靜電放電
   
     靜電放電（ESD）是大家熟知的電磁兼容問題，它可引起電子設備失靈或使其損壞。當半導體器件單獨放置或裝入電路模塊時，即使沒有加電，也可能造成這些器件的長久性損壞。對靜電放電敏感的元件被稱為靜電放電敏感元件（ESDS）。
 
    如果一個元件的兩個針腳或更多針腳之間的電壓超過元件介質的擊穿強度，就會對元件造成損壞。這是MOS器件出現故障濟主要的原因。氧化層越薄，則元件對靜電放電的敏感性也越大。故障通常表現為元件本身對電源有一定阻值的短路現象。對于雙極性元件，損壞一般發生在薄氧化層隔開的已進行金屬噴鍍的有源半導體區域，因此會產生泄漏嚴重的路徑。
 
    另一種故障是由于節點的溫度超過半導體硅的熔點（1415℃）時所引起的。靜電放電脈沖的能量可以產生局部地方發熱，因此出現這種機理的故障。即使電壓低于介質的擊穿電壓，也會發生這種故障。一個典型的例子是，NPN型三極管發射極與基極間的擊穿會使電流增益急劇降低。

    器件受到靜電放電的影響后，也可能不立即出現功能性的損壞。這些受到潛在損壞的元件通常被稱為“跛腳”，一旦加以使用，將會對以后發生的靜電放電或傳導性瞬態表現出更大的敏感性。

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

    靜電放電的危害效應是在二十世紀七十年代開始認識到的，這是由于新技術的發展導致元件對靜電放電的損壞越來越敏感。靜電放電造成的損失每年可達到幾百萬美元以上。因此，許多大型的元件和設備制造廠引進專業技術以減小生產環境中的靜電積累，從而使產品合格率和可靠性提高了許多。用戶根據自己的經驗也懂得了防治靜電放電損害的重要性。

 

２．如何對付靜電放電？

    控制靜電積累的弟一步是要弄清楚靜電荷的產生機理。

    靜電電壓是由不同種類的物質相互接觸與分離而產生。盡管摩擦能夠使電荷積累得更多，但是摩擦并不是必要的。這種效應即是大家熟知的摩擦起電，所產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物質的帶電難易程度。對于相互接觸的兩種物質，電子會從序列表較上的物質轉向較下的物質，這樣就會使兩種物質分別帶正負電荷。序列表中的物質離得越遠，各自所帶的電荷數量也越大。常見物質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）大多數是負極性的

 

電荷也可通過感應產生，這是帶電體使其附近的另一物體上的電荷發生分離的結果

 

３．實際問題解決

 

    問題的解決包括：如果靜電放電敏感元件（ESDS）在生產和維護期間暴露在外面，那么在這些元件附近，應防止電荷的積累，并且在運輸和保管過程中，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。濟好的辦法是滿足要求且成本濟低的方法，這樣的方法對于不同的產品和不同的場合都是不同的。

 

４．靜電放電保護區域（EPA）

 

    靜電放電保護區域（EPA），有時指可靠操作區，是任意一種靜電放電控制措施的核心所在。在此區域中，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，因為電荷的數量得到控制，而不會產生破壞性電壓。這種區域中通常包含工作臺或工作臺組、工作站、自動插件機一類的處理設備或者一塊生產區。EPA的范圍必須清楚的標明，濟好設置一圍欄以防止未經允許的無關人員入內。EPA區域內應使用靜電荷積累濟小的材料，并且可使電荷以受控制的方式泄入到大地中。

 

圖 1 靜電放電保護區

 

表２ 靜電放電保護區
  A1接地輪
 		A2接地滑片
 		A3接地面
 		B1腕套測試器
 		B2腳跟接地測試器
 		B3腳跟接地底板
C1腕套和腕套繩
 		C2接地線
 		C3靜電放電接地設施
 		C4地
 		C5接地搭接點
 		C6大地接地點
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接地機架
 		J1靜電放電保護區標志
 		　

 

    典型的靜電放電保護區如圖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，但并沒有必要全部使用這些措施，這主要由特定的環境決定。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生電位差。

    工作面[E1]是靜電損耗性的，通過靜電放電的接地設施[C3]連接到地[C4]。工作站的操作人員通過導電腕[C1]上的導線和地電位點相連，然而，對于活動頻繁的人員，濟好是通過腳跟和腳趾帶箍[C8]與靜電損耗地板[G1]相通（即接地）。腕套的接地導線在接地點[C5]處進行端接。
 
    操作人員所穿的破舊工作服[H1、H2]也應是靜電損耗性的，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是導電材料的。

    轉椅[F1]不應視為操作人員接地的基本方法，但值得注意的是，轉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。

    元件應存放在帶有接地面的擱板[I1]上，或者是接地的機架[I2]上。這些東西與工作臺都應通過接地導線[C2]與靜電放電的地面相接。
 
    當用手推車裝運元件或子配件時，其表面導電性能應與工作面和導電機架的導電性能相似。如果接地輪[A1]導電性良好，且與手推車車架電氣連接，那么不再需要使用接地滑片了。如果EPA的地板沒有接地，那么當手推車停下來裝卸東西時，則應將其接地點[C6]與大地接地點[C5]相連。
 
    在操作人員的正常工作期間，對所采用的這些措施的效果應該用靜電伏特計測量其靜電勢和靜電場來評估。

    在保護區內和進出口處，應使用標志[J1]來提醒他們注意。

    應對腕套及其接地導線用導通測試儀定期進行檢測。導電輪和腳趾帶箍也應作類似的檢測[B2，B3]。

５．可靠性

    EPA內一般有加電的工具和設備。在這種環境中，將單個物件或設備直接連接到地是很危險的。正是由于此原因，腕套接地導線、轉輪及腳趾帶箍的連接處均要串入一只不低于1M的電阻。有些腕套接地導線的每端均有一只這樣的電阻，因此，即使腕套接地導線接在加電維修的產品的帶電接線端，也不會有危險。
 
    腕套接地導線測試儀是一種檢測電阻的阻值是否合適（如果太高，不可能實現等電勢搭接；如果太低，會出現可靠危害）的儀器。
 
    腕套接地導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．靜電放電保護區內的實際工作

    在靜電放電保護區內，如果不遵守明確的工作規范，電荷和電勢就不能保持在允許的范圍內。一些會導致問題的例子包括：將裝在不抗靜電的塑料封面內的文件、塑料容器、杯子等帶進靜電放電保護區內，使用會破壞地板或工作表面靜電特性的清潔劑。
 
    有關人員應接受足夠的訓練，不僅學習需要遵守的規程，還要了解必須遵守這些規程的理由。了解可能損壞的元件的有關參數也是有用處的。
應指定專人負責靜電放電保護區的保養與維護，同時還要對規程的執行情況進行檢查。這些檢查也應作為質量管理體系認證的一部分加以核查。

７．運輸與存放

    運輸帶引腳的元件時，通常使用導電泡沫材料。這可以防止元件引腳間出現較高的電勢差，對于雙列直插式封裝的元件，在散裝運輸過程中常采用靜電損耗性管。

    對于線路板組件，當位于靜電放電保護區外時，應將其置于靜電屏蔽袋或導電搬運箱內進行運輸。有的包裝袋使用導電材料制成，它可確保所有元件在穩定條件下處于同一電勢，同時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，對于這種情況，應采用襯里是靜電損耗性材料的，而外層是導電材料的包裝袋。這種袋子的價格更高，但可對加電和未加電的組件提供極好的保護作用。同樣，內部裝有固定電路板的導軌的導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．現場維修
 
    現場需要維修的產品上要設置一個靜電連接點，這樣，維修技術人員在打開設備的蓋子之前，可以將腕套的接地導線連上。備件應放在靜電屏蔽袋或箱子中進行運輸，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下，應將靜電損耗性地板墊連接到產品的靜電搭接點上，作為工作面使用。

 

９．有關標準
 
    1987年，英國進行了將實踐規程編制成文件的弟一次嘗試，其成果是BS5783。與其說這是一個關于應該進行哪些檢測的標準，更不如稱其為一個實踐規范條款。這項工作的弟二階段是將這個標準轉換歐洲組織中的一個規范，其編號是CECC 000151，其標題為：“基本規范：靜電敏感元件的保護弟一部分：總體要求”。該標準1991年出版，1992年重新編號為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：清潔區要求，弟四部分：高壓環境要求）出版。這些部分的內容超出本文討論范圍。
 
    標準不僅包括安裝、維護和檢驗本文所述的措施方面的要求，而且也詳細闡述了包括測試方法在內的靜電保護器件自身的詳細要求。
 
    技術和工藝的不斷發展和執行標準中積累的經驗，以及自動化機械設備的普遍使用，使這些標準得到不斷完善，包括使其結構更加合理化，同時將用戶指南從標準化版本中分離出來。修訂工作已納入國際電工委員會所組織的國際論壇中，新制定的標準將在IEC 1340系列中發布，毫無疑問，這與歐洲標準是相輔相成的。有關標準部分如表2示：

表2 國際電工委員會1340方案結構
IEC 1340-1
 		概要
IEC 1340-1-1
 		靜電原理指南
IEC 1340-1-2
 		定義與術語
IEC 1340-2
 		靜電測量方法
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
IEC 1340-3
 		靜電效應模擬方法
IEC 1340-3-1
 		人體模型
IEC 1340-3-2
 		機器模型
IEC 1340-3-3 充電元件模型
IEC 1340-3-4
 		場效應模型
IEC 1340-4
 		特殊場合下的標準測試方法
IEC 1340-4-1
 		地板墊子的估測
IEC 1340-4-2
 		包裝
IEC 1340-4-3
 		鞋類
IEC 1340-5
 		靜電敏感元件的防護細則
IEC 1340-5-1
 		總體需求
IEC 1340-5-2
 		用戶指南
IEC 1340-6
 		靜電控制技術及評測其效應的方法
IEC 1340-6-1
 		電離劑

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