ESD防護(hù)包裝基本技術(shù)原理，懂得特定情況下包裝的使用是實(shí)施和保持有效的ESD控制體系的關(guān)鍵。
摘要
本文描述了ESD防護(hù)包裝及工作表面使用材料必須考慮的基本技術(shù)問題。這些基本原理可用于傳統(tǒng)的包裝材料如紙箱、包裝袋和周轉(zhuǎn)箱，也可以用于暫時(shí)性包裝材料，如制造過程中的周轉(zhuǎn)包裝袋。這些原理同樣也可以用于器件在組裝過程中可能接觸到的工作臺(tái)臺(tái)面和傳送帶。

重要術(shù)語的理解
以下術(shù)語是理解ESD材料和進(jìn)行包裝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)：
•抗靜電材料（Antistatic）：能夠有效地阻止靜電荷在自身及與其接觸材料上積累的材料。
•靜電耗散材料（Static Dissipative）：用于減緩帶電器件模型（CDM）下快速放電的材料。按照靜電協(xié)會(huì)（ESDA）和電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)（EIA）的定義，其表面電阻在105 ~1012 Ω/sq之間。抗靜電材料和靜電耗散材料可直接用于多數(shù)充電和放電失效過程中防護(hù)，甚至包括了自動(dòng)生產(chǎn)線。當(dāng)然在使用當(dāng)中須經(jīng)過簡單的測(cè)試。不過，這并不時(shí)說它們是萬能的，有時(shí)我們也需要使用導(dǎo)靜電材料。
•導(dǎo)靜電材料（Conductive）：按照定義，是指表面電阻率小于105 Ω/sq的材料。它們通常被用于器件與同電位分流連接，在某些時(shí)候，它們還被用于區(qū)域的靜電場(chǎng)屏蔽。
在對(duì)這三種材料的理解上容易有一些誤區(qū)，比如，許多材料既是抗靜電材料又是靜電耗散材料；很多時(shí)候通常導(dǎo)電材料與一些絕緣材料也會(huì)產(chǎn)生靜電，但這些材料不能視為抗靜電材料。
要清楚材料的區(qū)別，懂得在它們?cè)谑裁辞闆r下的應(yīng)用，對(duì)于實(shí)施和保持有效的ESD控制體系非常關(guān)鍵，同時(shí)也是正確評(píng)價(jià)防靜電材料供應(yīng)商產(chǎn)品有效性的關(guān)鍵因素。這些材料特性不能對(duì)正常的生產(chǎn)過程造成影響。此外，耐磨損性，熱穩(wěn)定性，污染的影響以及其他很多其他特性也應(yīng)當(dāng)成為評(píng)價(jià)材料特性時(shí)需要考慮的因素。
抗靜電材料及使用
絕緣材料與其他材料相接觸會(huì)產(chǎn)生靜電，這是因?yàn)槲矬w接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生電荷（電子或分子離子）的遷移，抗靜電材料能夠讓這種電荷的遷移濟(jì)小化。不過，因?yàn)槟Σ疗痣娙Q于相互作用的兩種物質(zhì)或物體，所以單獨(dú)說某種材料是抗靜電的并不準(zhǔn)確。
準(zhǔn)確的說法應(yīng)該是，該種材料對(duì)另一種材料來講是抗靜電的。實(shí)際當(dāng)中，所指其他材料既有絕緣材料，如印刷線路板（PWB）環(huán)氧樹脂基材，也有導(dǎo)電材料，如PWB 上的銅帶。它們?cè)谀承┻^程及取放當(dāng)中都可能帶電。
多數(shù)商用抗靜電材料是對(duì)生產(chǎn)過程中的多數(shù)材料是抗靜電材料的材料，因此才被稱為抗靜電材料。它們有三種不同類型：（1）通過抗靜電劑表面處理；（2）合成時(shí)混入抗靜電劑在表面形成抗靜電膜的材料（3）本身就有抗靜電性的材料。
常用的抗靜電劑能夠減少許多材料的靜電，因此應(yīng)用廣泛。它們一般是溶劑或載體溶液混入抗靜電表面活性劑，如季銨化合物、胺類、乙二醇、月桂酸氨基化合物等而制成。使用抗靜電劑能夠在材料之間形成一層主導(dǎo)材料表面特性的薄膜。這些抗靜電劑都是表面活性劑，其減少摩擦電壓的機(jī)理還不得而知。然而，研究發(fā)現(xiàn)，這些表面活性劑都具有吸收水分子的特性，它們能夠促使材料表面吸收水分。實(shí)際應(yīng)用同樣也是，抗靜電劑的效果受環(huán)境濕度的影響很大。此外，抗靜電劑也可減少摩擦力，有利于減少摩擦電壓。
因?yàn)榭轨o電劑具有一定的導(dǎo)電性能，所以在適當(dāng)濕度的條件下，它們能夠通過耗散來泄放靜電。但在實(shí)際當(dāng)中，后一種特性可能更容易得到重視，因而它也就成為了評(píng)估抗靜電材料的濟(jì)主要的指標(biāo)。但是，抗靜電材料更重要的功能應(yīng)當(dāng)是其在沒有接地的狀態(tài)下減少靜電產(chǎn)生的功能，而不是導(dǎo)電性。
靜電耗散材料及使用
很多時(shí)候靜電的產(chǎn)生不可避免，因此可靠地消除靜電顯得更為重要。許多抗靜電材料在接地或與地板等大的平面導(dǎo)體接觸的時(shí)候也具備靜電耗散功能。靜電耗散材料具有相似的體積電阻，或用導(dǎo)電材料覆蓋，如用于工作臺(tái)的臺(tái)墊等。耗散材料在接觸帶電器件時(shí)，能夠使放電的電流得到限制。
按照EIA 和ESDA的定義，靜電耗散材料是表面電阻率在105 ~1012 Ω/sq的材料。Bossard等學(xué)者的研究表明，105 Ω/sq下限電阻對(duì)于ESD能量敏感器件的保護(hù)來講是適當(dāng)?shù)模@類器件會(huì)因熱熔導(dǎo)致失效。
除表面電阻率之外，靜電耗散材料另一個(gè)重要特性是將其將靜電荷從物體上泄放的能力，而描述這一特性的技術(shù)指標(biāo)是靜電衰減率。按照孤立導(dǎo)體靜電衰減模型，靜電衰減周期與其泄放電路的電阻與電容乘積（RC）成指數(shù)關(guān)系：
V(t) = V0e-t/t
式中V(t) 為衰減后靜電電壓，V0是衰減前靜電電壓，t為時(shí)間，t= RC 是時(shí)間常數(shù)。
研究靜電泄放能力，典型的假設(shè)是，在特定的時(shí)間內(nèi)，如2秒內(nèi)，將靜電電壓衰減到一個(gè)特定的百分比，如1%。對(duì)一個(gè)盛放PWB的周轉(zhuǎn)箱來說，其電容大約為50 pF，這時(shí)其電阻應(yīng)為：
這個(gè)數(shù)字正好是靜電耗散材料阻值范圍中的值。此外，對(duì)靜電耗散材料來說，相對(duì)濕度也是重要的因素，在靜電衰減測(cè)試當(dāng)中要予以控制和記錄。

導(dǎo)靜電材料的特性和使用
表面電阻率小于1 X 105Ω/sq的材料被定義為導(dǎo)靜電材料。導(dǎo)靜電材料可以將導(dǎo)靜電材料或靜電耗散材料上的靜電轉(zhuǎn)移到自身的表面。它通常用于分流目的，將器件的引腳連接到一起以保證引腳之間的電位相同。
要想達(dá)到分流的目的，須保證兩點(diǎn)：弟一，在快速放電中保持等電位。這一限制與材料的電感有關(guān)。測(cè)試實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，8000V的脈沖電壓能將放在導(dǎo)靜電泡沫材料中的，對(duì)HBM放電非常敏感的器件（小于50V）的器件損壞。雖然有測(cè)試表明，對(duì)器件引腳進(jìn)行分流保護(hù)在工廠生產(chǎn)環(huán)境中已經(jīng)足夠，但是有證據(jù)表明，分流保護(hù)仍然不能排除可能的損傷。濟(jì)近公布的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了這一點(diǎn)。
弟二，分流必須讓器件引腳閉合。許多靜電放電，特別是帶電器件模型（CDM）下的放電，放電的時(shí)間只有1nS，如果分流用物體距離器件幾英寸遠(yuǎn)，此時(shí)器件引腳上的ESD會(huì)在電流流過分流導(dǎo)電材料形成的等電位連接之前就損傷了器件。
很少有實(shí)例表明，器件會(huì)對(duì)純粹的靜電場(chǎng)敏感。實(shí)際當(dāng)中，使用導(dǎo)靜電材料僅僅對(duì)表面聲波（SAW）過濾的器件和光掩膜集成電路（IC）的器件是必要的，因?yàn)樗鼈兘饘?*結(jié)構(gòu)中有微小的空氣間隙（這種結(jié)構(gòu)會(huì)讓靜電場(chǎng)增強(qiáng)）。此外，非連續(xù)型金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）器件在有非常長的天線引入線接觸器件時(shí)，由于場(chǎng)強(qiáng)影響放大，也會(huì)被靜電場(chǎng)損壞。
典型的導(dǎo)靜電材料是混入了碳粉的高分子聚合材料（如前面所提到的導(dǎo)電泡棉）或采用真空熏鍍金屬層的材料（如屏蔽袋）。雖然，105 Ω/sq是導(dǎo)靜電材料和靜電耗散材料的界限值，它并不是提供CDM保護(hù)的下限值。這一點(diǎn)，在只有10–104 Ω/sq導(dǎo)電材料可以選擇時(shí)非常有用。使用導(dǎo)靜電材料會(huì)導(dǎo)致CDM損傷的風(fēng)險(xiǎn)增加。

幾種典型的包裝應(yīng)用
卷盤包裝.SMT的普及讓卷盤成為集成電路（IC）取放方式的優(yōu)選包裝。因?yàn)榫肀P能夠大幅度提高生產(chǎn)能力，并能減少操作人為影響，這種包裝方式很大程度上取代了IC包裝管。然而，
卷盤包裝濟(jì)早用于分立型被動(dòng)器件，如片式電阻的包裝，因?yàn)檫@些器件通常不是ESD敏感器件。早期的卷盤包裝不是防靜電的，結(jié)果，在將卷盤覆蓋層從載帶剝離時(shí)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生超過10000V的靜電。此時(shí)片狀器件甚至?xí)莒o電引力在載帶上直立起來，這對(duì)自動(dòng)化的生產(chǎn)過程有極大的危害。這一點(diǎn)要求卷盤生產(chǎn)中與IC相接觸的材料必須使用可靠的材料。因?yàn)闀?huì)增加器件的潛在損傷緣故，我們努力尋找合適的材料來解決這一問題。有一點(diǎn)是明確的，卷盤材料對(duì)器件產(chǎn)生的靜電比包裝管對(duì)器件產(chǎn)生的靜電確實(shí)要高，盡管在它們的廣告上說是ESD可靠的，或者說是按照EIA541之類標(biāo)準(zhǔn)制作的。
表1 器件在包裝管和不同材料的卷盤包裝中產(chǎn)生的靜電。
一些卷盤帶上的確使用了抗靜電材料，但這些材料僅僅是在外面的非粘貼層，粘貼面與器件接觸后，仍會(huì)產(chǎn)生超出預(yù)料的高靜電壓。
除此之外，另外一點(diǎn)需要注意的是，載帶材料的導(dǎo)電性過強(qiáng)，還可能會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)感應(yīng)的CDM失效。其原因是，當(dāng)時(shí)沒有能與典型的抗靜電材料相匹配的粘膠。
導(dǎo)電材料載帶的這種缺陷在CDM敏感器件（150V）的一系列實(shí)驗(yàn)中可以得到證實(shí)。將敏感器件裝入表面電阻率為1~100 Ω/sq材料的載帶，做振動(dòng)試驗(yàn)，以模擬器件的運(yùn)輸和取放過程，然后測(cè)試其是否失效。結(jié)果顯示，器件中有相當(dāng)大的數(shù)量擊穿電壓等電性能顯著下降；相反，使用104 Ω/sq載帶和絕緣材料的覆蓋帶做同樣的實(shí)驗(yàn)，卻沒有出現(xiàn)電性能的下降。圖1是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的匯總。
圖1 不同材料載帶振動(dòng)后1-µA漏電電流下?lián)舸╇妷?/span>
防靜電包裝袋.對(duì)于屏蔽袋的使用，在ESD行業(yè)曾經(jīng)有許多誤區(qū)。這些誤區(qū)主要與早期的靜電場(chǎng)敏感器件有關(guān)。盡管在ESD保護(hù)環(huán)境中，很難發(fā)生無保護(hù)的MOSFET的器件失效，但是人們還是普遍相信這些器件會(huì)在靜電場(chǎng)中損壞。
材料
損傷電壓(V)
新包裝袋
舊包裝袋
導(dǎo)電紙板
2500 —
絕緣袋
4000 —
抗靜電（粉紅色聚乙烯）袋
4500 —
靜電耗散袋
5000–6000 —
抗靜電氣泡片
4500–6500
6000
抗靜電泡棉
6500 —
屏蔽包裝袋（三層結(jié)構(gòu)）
6500–8000
5000–6000
表2 各類ESD包裝袋所能提供器件保護(hù)電壓
現(xiàn)在這些觀點(diǎn)已經(jīng)基本被摒棄了，但是許多產(chǎn)業(yè)仍然保留著使用屏蔽袋的要求。盡管器件會(huì)因感應(yīng)帶電，這取決于其在電場(chǎng)中停留的時(shí)間，而屏蔽層確實(shí)可以減少感應(yīng)的影響，但這些屏蔽層既不是**的解決辦法，也不是濟(jì)佳的解決辦法。表2是幾種包裝抗靜電能力的測(cè)試結(jié)果。其實(shí)驗(yàn)基本方法是，將HBM敏感度200V的敏感器件或同等電壓敏感度的探頭放在包裝袋中，再使用HBM模擬器放電測(cè)試其靜電破壞情況。數(shù)值指示的是器件在袋中被損壞時(shí)施加電壓。
這些數(shù)據(jù)表明，在一個(gè)常規(guī)的ESD控制條件下的環(huán)境中，如電子產(chǎn)品生產(chǎn)車間，表中所列的任何一種材料都可以使用。此環(huán)境的靜電壓完全可以保持在2500V以下，低于濟(jì)小的靜電損傷電壓。
屏蔽包裝袋在使用后效果會(huì)大大減弱，因?yàn)檎郫B或彎曲都會(huì)造成金屬層穿孔和破裂。因此，包裝袋或盒濟(jì)重要的特性是它們的抗靜電性、靜電耗散性以及物理保護(hù)性能。表2的數(shù)據(jù)還說明，屏蔽包裝袋不是解決電子產(chǎn)品在非控制環(huán)境中取放的濟(jì)理想的材料。相比之下，剛性材料的包裝可以提供適當(dāng)?shù)目障叮瑢?duì)器件的ESD保護(hù)和物理保護(hù)都能收到較好的效果。
圖2 能夠提供空氣間隙的包裝：(a)IC包裝管、靜電耗散泡棉以及卷盤；(b)沒有屏蔽層的靜電耗散袋；(c)剛性包裝：特殊處理過的保利絨；(d)靜電耗散泡沫
電容耦合和空氣間隙
導(dǎo)電和屏蔽材料多數(shù)情況下不是必須的包裝材料，其中一個(gè)原因是，器件相對(duì)于靜電源的方位可以濟(jì)大限度地減少其受到的影響。圖2中所列示的材料都能夠通過空氣間隙達(dá)到這一目的，接下來我們逐一討論。
集成電路（IC）包裝管：圖3是放置在IC包裝管中的器件受到外界靜電場(chǎng)影響的示意圖。其中，Vs是靜電源的電壓，CC是靜電源與器件之間的電容，CD是器件對(duì)地的電容，此時(shí)器件的電壓可以以下公式計(jì)算：
從式中可以看到，剛性結(jié)構(gòu)的包裝管會(huì)有空隙間距，有助于減少VD。盡管Unger對(duì)此有不同認(rèn)識(shí)，一般認(rèn)為VD/VS的比值通常為1：50。以此計(jì)算，在這種結(jié)構(gòu)下，靜電耐受能力大于100V的器件放在包裝管中，外界5000V的靜電也不會(huì)對(duì)其形成威脅。從這一點(diǎn)講，除非器件極端敏感或包裝放在很高的靜電場(chǎng)中，導(dǎo)電材料或金屬材料的IC包裝管完全沒有必要。事實(shí)上，Unger的研究表明，導(dǎo)電材料的包裝管更容易將電荷傳導(dǎo)到器件上，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S電荷在整個(gè)包裝管上快速流動(dòng)。
圖3 外界靜電場(chǎng)下器件與IC包裝管的耦合
周轉(zhuǎn)箱：多數(shù)的周轉(zhuǎn)箱使用靜電耗散材料制作，其表面的靜電荷可以通過接地，或放置在靜電耗散材料或?qū)щ姴牧系淖烂嫔闲埂D4是存放線路板的耗散材料周轉(zhuǎn)箱的示意圖，其外側(cè)及周邊周轉(zhuǎn)箱的電荷可能無法通過接地消除，但箱子的結(jié)構(gòu)及線路板的方位可以讓其與這些靜電源的耦合濟(jì)小：
圖4 印刷線路板（PCBA）與周轉(zhuǎn)箱的底面的耦合（Cb），以及與平行面的耦合（Ce）示意
從平行電容模型來看，周轉(zhuǎn)箱與線路板接觸的部分與后者垂直，能夠?qū)㈦娙萁档偷綕?jì)小，因而耦合較弱，而與線路板平行的表面，由于線路板與箱面之間能保持大約為1/2英寸以上的距離，因而也能夠降低其電容值，有效減少耦合。
這種結(jié)構(gòu)能夠提供的保護(hù)很難量化。相比線路板放水平面靜電源上的耦合，這種結(jié)構(gòu)通常情況下能夠讓其耦合減少一半。因?yàn)橄潴w經(jīng)常需要進(jìn)行滑動(dòng)，而其摩擦所產(chǎn)生的靜電會(huì)在表面停留，從這一點(diǎn)來說，圖4是方式是可以接受的。
發(fā)泡包裝與（屏蔽）包裝袋：使用剛性或半剛性包裝材料時(shí)，能夠在運(yùn)輸和取放時(shí)讓器件與外界保持適當(dāng)?shù)目障叮@些空隙可以讓包裝在不使用導(dǎo)電材料的前提下，提供物理性保護(hù)的同時(shí)減少場(chǎng)強(qiáng)的影響。我們所看到的多數(shù)對(duì)屏蔽研究的文獻(xiàn)，是假設(shè)包裝袋處于極端惡劣的環(huán)境下，周圍的靜電源高達(dá)15,000-35,000 V，得出的結(jié)論，實(shí)際在通常的情況下，剛性包裝與其他的包裝結(jié)合使用已經(jīng)足夠減少ESD的損壞。
三類ESD失效情況的對(duì)策
我們將引起ESD損傷的情況分為三類，對(duì)它們的分析和對(duì)策如表3所示。理論上講，在這些措施中任意一個(gè)對(duì)于減少ESD損傷都有效，但實(shí)際上理想的效果很難達(dá)到。這是因?yàn)椋菏紫龋瑳]有任何技術(shù)能夠保證萬無一失。抗靜電劑會(huì)有一定的時(shí)效性，過期就會(huì)失效，此時(shí)接地會(huì)時(shí)好時(shí)壞，或完全斷開。其次，某些措施可能限制一些防護(hù)措施的使用，或甚至將其完全排除在外。例如，卷盤包裝的覆蓋帶的粘貼面必須使用絕緣材料，才能將與載帶粘合在一起。
情況
操作
解決辦法
A
1.移動(dòng)時(shí)在表面產(chǎn)生靜電
使用抗靜電材料或在任意一個(gè)表面涂抗靜電劑
2.將器件帶到表面帶靜電物體的附近
物體表面使用耗散材料
保持空隙或/和使用屏蔽保護(hù)
3.器件在靠近表面帶靜電物體的附近時(shí)處于接地狀態(tài)（CDM）
空氣離子化處理
使用靜電耗散材料
B
1. 由于運(yùn)動(dòng)讓絕緣材料的器件包裝產(chǎn)生靜電。
包裝材料使用抗靜電材料或使用抗靜電劑處理表面。
2.器件本身帶靜電
空氣離子化處理
3.器件帶靜電后處于接地狀態(tài)(CDM)
使用靜電耗散材料
C
1.由于人的活動(dòng)產(chǎn)生靜電
手腕帶接地。
2.人體帶電
使用導(dǎo)電或靜電耗散地板和鞋
3.接觸器件將靜電傳遞到器件
房間系統(tǒng)空氣離子化
將器件隔離
使用靜電耗散包裝以減慢放電速度
使用導(dǎo)電材料分流靜電
表3 三類常見的ESD情況及ESD控制措施
情況A。兩個(gè)表面間的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生靜電，敏感器件被放置在其電場(chǎng)中，而器件隨后又進(jìn)行了接地。接觸的表面使用抗靜電材料可以解決操作1的問題。表面所產(chǎn)生的靜電可以通過靜電耗散材料、空氣離子化中和、使用空隙間隔或靜電屏蔽來消除。操作3的問題，可以通過使用靜電耗散材料來控制靜電泄放的速度。
情況B。情況A中，可以有多種途徑來解決操作3的問題，而情況B則不同，它是器件與其他材料接觸后自身帶電的情況。在情況A中，操作1的問題可以通過使用抗靜電材料或靜電耗散材料來解決，但對(duì)于情況B，器件本身的材料不可替換，不可能使用這兩種材料來解決問題。要滿足電路要求，制作器件的陶瓷或塑料材料須是高絕緣材料，同時(shí)對(duì)于防潮和防腐蝕也對(duì)材料提出了相應(yīng)的要求。這些對(duì)于操作2問題的解決都有限制。此時(shí)器件包裝上有靜電荷，除非允許長時(shí)間，**的去除方法就是使用空氣離子化。操作3問題是導(dǎo)致失效操作，**可行的保護(hù)辦法就是避免導(dǎo)體接觸放電的器件，而改用靜電耗散材料與器件接觸。
對(duì)于像工作臺(tái)面這類大的材料，單獨(dú)使用一個(gè)105–1012 Ω阻值的外接電阻并不是好的替代方法，這是因?yàn)殡x散電阻會(huì)產(chǎn)生寄生電容，它允許高頻大電流，導(dǎo)致典型的CDM的靜電損傷。
情況A和B由運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致，生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)在器件的操作當(dāng)中產(chǎn)生。我們所熟知的人為因素在這并不是ESD損傷的關(guān)鍵因素，而這些情況才是濟(jì)大的靜電損傷隱患，因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中，它們會(huì)持續(xù)產(chǎn)生靜電。
情況C。相比而言，在生產(chǎn)車間，人員接地容易做到，HBM風(fēng)險(xiǎn)會(huì)越來越少。但是，即便是在檢查非常嚴(yán)密時(shí)，也偶爾會(huì)有操作員工不正確地使用手腕帶，導(dǎo)致其失去作用的情況出現(xiàn)，因而，包裝必須提供附加的保護(hù)。這種保護(hù)在缺少