浅谈电子制作的完整过程中的静电及静电防护

  电场的作用会使两物体的静电电荷发生位移，当静电电场达到一定能量，之间的介质被击穿而产生放电，这就是ESD的全过程。由于生活中静电无处不在，所以ESD也经常发生。我们大家可以按以下描述简单判断ESD的强弱，当放电电压低于3 kV时，ESD过程会发生但我们不会感觉到，电压大于3 kV时，人体有轻微麻麻的感觉，当电压大于6 kV时，我们会听到劈啪的放电声，而当电压大于8 kV时，同时还会伴随快速的电弧火花出现。

  随着科学技术的快速的提升，电子、通信、航天航空等高新产业的迅速崛起，尤其是电子仪器仪表和设备等电子科技类产品日趋小型化、多功能及智能化。高密度集成电路已成为电子工业对上述要求中必不可少的器件。这种器件具有线间距短、线细、集成度高、运算速度快、低功率和输入阻抗高的特点，从而导致这类器件对静电越来越敏感。静电放电是导致元器件击穿危害和对电子设备的运行产生干扰的根本原因。在电子科技类产品的生产中，从元器件的预处理、安装、焊接、清洗、至单板测试、总测、直到包装、储存、发送等工序，都可能会产生对器件的静电放电击穿危害。因此，静电防护显得逐渐重要。静电作为一种自然现象，不让它产生几乎是不可能的，但是，把它的存在控制在危险的水平下，使其造成的损失尽可能减小，则是能做到到的。有效地进行静电防护与控制，依赖于对静电现象的认识和对其发生、存在、消除的控制；依赖于掌握和了解静电与环境条件的关联性和静电发生的规律。 2 静电的产生

  在日常生活中，任何两个不一样的材质的物体接触后再分离，即可产生静电，而产生静电的最普通方法，就是摩擦生电。材料的绝缘性越好，越容易产生摩擦生电。另外，任何两种不同物质的物体接触后再分离，也能产生静电。

  针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如将其置于一电场中，由于同性相斥，异性相吸，正负电子就会转移。

  针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如与带电物体接触，将发生电荷转移。

  静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电位差，会产生放电电流。这三种特性能对电子元器件产生三种影响：

  (2)静电释放(ESD)破坏，造成电子元件不能工作。表1列出了一些常见电子元器件所能承受静电破坏的静电电压，从表中能够准确的看出大部分器件的静电破坏电压都在几百至几千伏，而在干燥的环境中人活动所产生的静电可达几千伏到几万伏。图2是一个CMOS器件和一个双极型器件在受到ESD损伤后芯片内部的相貌像；

  (3)静电放电产生的电磁场幅度很大(达几百伏／米)频谱极宽(从几十兆到几千兆)，对电子科技类产品造成干扰甚至损坏(电磁干扰)。

  这3种形式对元器件造成的损伤，既可能是永久性的(如功能丧失，不能恢复)，也可能是暂时性的(如静电放电产生的干扰使功能暂时丧失)；既可能是突发失效，也可能是潜在失效。其中静电释放(ESD)事件是造成元器件损伤最常见和最主要的原因。

  (1)隐蔽性。人体不能直接感知静电除非发生静电放电，但是发生静电放电人体也不一定可以有电击的感觉，这是因为人体感知的静电放电电压为2～3 kV，所以静电具有隐蔽性。

  (2)潜在性。即器件在受到ESD应力后并不马上失效，而会在使用的过程中逐渐退化或突然失效。这时的器件是带伤工作。这是人们对静电危害认识不够的一个根本原因。实际上，静电放电对元器件损伤的潜在性和累积效应会严重地影响元器件的使用可靠性。由于潜在损伤的器件无法鉴别和剔除，一旦在上机应用时失效，造成的损失就更大。而避免或减少这种损失的最好办法是采取静电保护措施，使元器件避免静电放电的危害。

  (3)随机性。电子元件什么情况下会遭受静电破坏呢?能这么说，从一个元件产生以后，一直到它损坏以前，所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机性，其损坏也具有随机性。 (4)复杂性。静电放电损伤的失效分析工作，因电子科技类产品的精、细、微小的结构特点而费时、费事、费钱，要求比较高的技术并往往需要用一些高精密仪器。即使如此，有些静电损伤现象也难以与其他问题导致的损伤加以区别，使人误把静电损伤失效当作其他失效。这在对静电放电危害未充分认识之前，常常归因于早期失效或情况不明的失效，从而不自觉地掩盖了失效的真正原因。所以静电对电子器件损伤的分析具有复杂性。

  元器件从生产到使用的整体过程中都可能遭受静电损伤，依各阶段的可分为：(1)元器件制作的完整过程；(2)印刷电路板生产的全部过程；(3)设备制作的完整过程；(4)设备使用的过程；(5)设备维修过程。

  在整个过程中，每一个阶段中的每一个小步骤，元件都可能遭受静电的影响，而实际上，最主要而又容易疏忽的一点却是在元器件的传送与运输的过程。在这整个过程中，不但包装因移动易产生静电外，而且整个包装容易暴露在外界电场(如经过高压设备附近，工人移动频繁、车辆迅速移动等)而受到破坏，所以传送与运送过程需要非常注意以减少损失，避免无谓之纠纷。

  静电防护的根本原则是：(1)抑制静电荷的积聚；(2)迅速、安全、有效地消除已经产生的静电荷。

  接地就是直接将静电通过一条导线的连接泄放到大地，这是防静电措施中最直接最有效的方法，对于导体通常用接地的方法，如有绳防静电手腕带、地板及工作台面接地等。

  静电敏感元件在储存或运送过程中会暴露于有静电的区域中，用静电屏蔽的方法可削弱外界静电对电子元件的影响，最通常的方法是用静电屏蔽袋和防静电周转箱作为保护。另外防静电衣对人体的衣服具有一定的屏蔽作用。

  绝缘体往往是易产生静电，对绝缘体静电的消除，用接地方法是无效的，一般会用的方法是离子中和(部分采用屏蔽)，即在工作环境中用离子风机等，提供一等电位的工作区域。

  因此在防静电材料和防静电设施中，均是按这3种方式派生出来的产品，可分为防静电仪表，接地系统类防静电产品，屏蔽类防静电包装，运输及储存防静电材料，中和类静电消除设备，以及其它防静电用品。

  (1)手腕带／脚腕带／防静电鞋综合检测仪用途：检测手腕带，脚腕带，防静电鞋是不是满足要求；

  (2)测试脚带及防静电鞋时，需增加一块金属板及仪表连接的导线)除静电离子风机检测仪用途：定期对离子风机平衡度和衰减时间进行仔细的检测及校验以确保离子风机工作在安全的指标范围；

  (4)静电场测试仪用途：测量静电场以反映静电的存在，以电压形式读数，用来测试环境的静电强度。一般受环境影响和静电瞬间特性，很难真实反映实际情况；

  (1)防静电手腕带：大范围的使用在各种操作工位，手腕带种类很多，建议一般都会采用配有1兆欧姆电阻的手腕带，线长应留有一定余量。

  (2)防静电脚腕带／防静电鞋：厂房使用防静电地面后，应配备防静电鞋，建议车间以穿防静电鞋为主，可降低灰尘的引入。操作人员再结合配带防静电脚腕带效果将会更佳。

  (3)防静电台垫：用于各工作台表面的铺设，每个台垫串上1兆欧电阻后与防静电地可靠连接。防静电台垫主要是防静电复合胶板，大多数都用在捕垫桌面、流水线工作台面、货架及制做地垫等。材料面层分为草绿色，导电物质是抗静电剂；底层为黑色，导电物质是碳黑。

  (4)防静电地板：防静电地板也有多种，按时效性分，有永久性和临时性；按材料分有导电橡胶、PVC、导电陶瓷等；按铺设方式分，有地面直接铺设的和架空的活动地板。可结合实际需要和成本决定。如需要在地面走多种电缆、管道的环境如计算机房选择架空铺设的活动地板比较好。图5是一些防静电地板。

  (1)防静电周转箱、防静电元件盒：用于车间单板和部件的周转，运输及储存；

  (2)防静电包装袋：用于单板和部件的包装、运输和储存，具有一定的防潮效果；

  (4)防静电IC包装管管及IC托盘：用于生产车间IC元器件的储存、搬运。禁止在使用前，露天存放IC；或拆开包装运输；

  (5)防静电货架、手推车及工作台：防静电货架、手推车大范围的使用在电子装配车间的单板、部件的周转，搬运等。防静电货架及工作台要有防静电接地，手推车应有金属链与大地接触；

  (6)防静电工作服工作鞋：在具有静电敏感元器件，具有一定洁净度要求的加工车问，一般应严格要求员工穿戴防静电工作服工作鞋。防静电服装是用不同色的防静电布制成。布料纱线含特殊的比例的导电纱，导电纱又是由特殊的比例的不锈钢纤维或其它导电纤维与普通纤维混纺而成。通过导电纤维的电晕放电和泄漏作用消除服装上的静电。由于不锈钢纤维属金属类纤维，所以，由它织成的防静电布料的导电稳定性很高，不随服装的洗涤次数而变化；

  静电就象细菌一样，虽然是看不见，摸不着，但是它随时随地存在。在日常生活中，如走动，翻书，甚至空气流动等都会产生静电。静电开始产生时，静电量跟着时间的延续而增加，但积到某些特定的程度时，静电量不会无限增加而趋于某一稳定值。当电子元件表面积聚的静电达到稳定值时，它的性能会受到很大的影响。

  (1)生产区域长期处丁恒温、恒湿的稳定环境，一般温度控制在25℃，湿度控制在65％，并每天有专人来测试，并做有效记录；

  (2)张贴醒目的静电敏感器件标志，图7是各种防静电标志。其中(a)是防静电工作区的标志，(b)和(c)是防静电容器、元件架、运输车等器材上的标记；(d)是经防静电处理的物品和场所的标记；

  (4)操作者在接触电子科技类产品时必须戴防静电手腕带，并要求戴腕带的操作人员每天上、下午上班前各测试一次，以保证腕带与人体的良好接触，腕带电阻1 M；

  (5)在贴装过程中，需要手拿电路板时，规定只能拿电路板边缘无电子元器件处，而不能非间接接触电子元器件引脚；

  (7)准备开封、测试静电敏感器件时必须在防静电工作台上进行，有条件的可配用离子风机清除空气中的不平等电荷；

  (8)组装所用的焊接设备及成形工装设备都必须接地，焊接工具使用内热式烙铁，接地要良好，接地电阻要偏小；

  (9)产品测试时，在电源接通的情况下，不能随意插拔器件，必须在关掉电源的情况下插拔；

  (10)凡ESD敏感型器件不应过早地拿出原封装，要正确按操作规范，尽量不能触摸ESD敏感型器件管腿；

  (12)在ESD敏感型测试仪器生产线上，应严格使用静电电位测试仪，监视静电电位的变动情况，以便及时采取静电消除措施；

  a、静电安全工作台是防静电工作区的基本组成部分，它由工作台、防静电台垫、腕带接头和接地线等组成；

  b、防静电台垫上应不少于两个腕带接头，一个供操作人员使用，另一个供技术人员，检验人员或其它人员使用；

  d、静电安全工作台上不允许堆放塑料盒(片)、橡皮、纸板、玻璃等易产生静电的杂物，图纸资料等应装入防静电文件袋内；

  (14)防静电容器在电子设备研制生产的全部过程中，一切贮存、周转ESD敏感型器件的容器(元器件袋、转运箱、印制板架、元器件存放盒等)应具备静电防护性能。不允许使用金属和普通塑料容器。必要时，存放部件用的周转箱应接地；

  a、进入防静电工作区或接触ESD敏感型器件的人员应穿防静电工作服，防静电工作服面料应符合GB12014规定；

  (17)防静电工作鞋进入防静电工作区或接触ESD敏感型器件的人员应穿防静电工作鞋，防静电工作鞋应符合GB 4385的有关法律法规。正常的情况下允许穿普通鞋，但应同时使用导电鞋束或脚腕带；

  (18)防静电运输车转运ESD敏感型器件或含有ESD敏感型器件的整、部件时，应采用有防静电性能的运输车；

  当存在静电电位差时、静电强度大到足够击穿物体或表面之间的隔离或非间接接触到这些物体时，就有几率发生静电放电。因此，防止任何可能的静电放电事件发生的唯一觯决方法是保持所有物体处于等电位。