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技術(shù)文章

電子元器件的靜電解決辦法
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(shè)備失靈或使其損壞。當(dāng)半導(dǎo)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期性損壞。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(zhì)的擊穿強度，就會對元件造成損壞。這是MOS器件出現(xiàn)故障主要的原因。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(xiàn)為元件本身對電源有一定阻值的短路現(xiàn)象。對于雙極性元件，損壞一般發(fā)生在薄氧化層隔開的已進行金屬噴鍍的有源半導(dǎo)體區(qū)域，因此會產(chǎn)生泄漏嚴(yán)重的路徑。

        另一種故障是由于節(jié)點的溫度超過半導(dǎo)體硅的熔點（1415℃）時所引起的。靜電放電脈沖的能量可以產(chǎn)生局部地方發(fā)熱，因此出現(xiàn)這種機理的故障。即使電壓低于介質(zhì)的擊穿電壓，也會發(fā)生這種故障。一個典型的例子是，NPN型三極管發(fā)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(xiàn)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(fā)生的靜電放電或傳導(dǎo)性瞬態(tài)表現(xiàn)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(fā)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(fā)生損壞時的電壓僅幾百伏。

        靜電放電的危害效應(yīng)是在二十世紀(jì)七十年代開始認(rèn)識到的，這是由于新技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)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(dá)到幾百萬美元以上。因此，許多大型的元件和設(shè)備制造廠引進專業(yè)技術(shù)以減小生產(chǎn)環(huán)境中的靜電積累，從而使產(chǎn)品合格率和可靠性提高了許多。用戶根據(jù)自己的經(jīng)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(chǎn)生機理。

        靜電電壓是由不同種類的物質(zhì)相互接觸與分離而產(chǎn)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(yīng)即是大家熟知的摩擦起電，所產(chǎn)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(zhì)的帶電難易程度。對于相互接觸的兩種物質(zhì)，電子會從序列表較上的物質(zhì)轉(zhuǎn)向較下的物質(zhì)，這樣就會使兩種物質(zhì)分別帶正負(fù)電荷。序列表中的物質(zhì)離得越遠(yuǎn)，各自所帶的電荷數(shù)量也越大。常見物質(zhì)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(shù)是負(fù)極性的

 

電荷也可通過感應(yīng)產(chǎn)生，這是帶電體使其附近的另一物體上的電荷發(fā)生分離的結(jié)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(chǎn)和維護期間暴露在外面，那么在這些元件附近，應(yīng)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。好的辦法是滿足要求且成本低的方法，這樣的方法對于不同的產(chǎn)品和不同的場合都是不同的。

 

４．靜電放電保護區(qū)域（EPA）

 

        靜電放電保護區(qū)域（EPA），有時指可靠操作區(qū)，是任意一種靜電放電控制措施的核心所在。在此區(qū)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(shù)量得到控制，而不會產(chǎn)生破壞性電壓。這種區(qū)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(shè)備或者一塊生產(chǎn)區(qū)。EPA的范圍必須清楚的標(biāo)明，設(shè)置一圍欄以防止未經(jīng)允許的無關(guān)人員入內(nèi)。EPA區(qū)域內(nèi)應(yīng)使用靜電荷積累較小的材料，并且可使電荷以受控制的方式泄入到大地中。
 靜電放電保護區(qū)
      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(shè)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(zhuǎn)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(qū)標(biāo)志

 

        典型的靜電放電保護區(qū)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(huán)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(chǎn)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(shè)施[C3]連接到地[C4]。工作站的操作人員通過導(dǎo)電腕[C1]上的導(dǎo)線和地電位點相連，然而，對于活動頻繁的人員，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(dǎo)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(yīng)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(yīng)是導(dǎo)電材料的。

        轉(zhuǎn)椅[F1]不應(yīng)視為操作人員接地的基本方法，但值得注意的是，轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)通過接地導(dǎo)線[C2]與靜電放電的地面相接。

        當(dāng)用手推車裝運元件或子配件時，其表面導(dǎo)電性能應(yīng)與工作面和導(dǎo)電機架的導(dǎo)電性能相似。如果接地輪[A1]導(dǎo)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(dāng)手推車停下來裝卸東西時，則應(yīng)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(yīng)該用靜電伏特計測量其靜電勢和靜電場來評估。

        在保護區(qū)內(nèi)和進出口處，應(yīng)使用標(biāo)志[J1]來提醒他們注意。

        應(yīng)對腕套及其接地導(dǎo)線用導(dǎo)通測試儀定期進行檢測。導(dǎo)電輪和腳趾帶箍也應(yīng)作類似的檢測[B2，B3]。

５．可靠性

        EPA內(nèi)一般有加電的工具和設(shè)備。在這種環(huán)境中，將單個物件或設(shè)備直接連接到地是很危險的。正是由于此原因，腕套接地導(dǎo)線、轉(zhuǎn)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(dǎo)線的每端均有一只這樣的電阻，因此，即使腕套接地導(dǎo)線接在加電維修的產(chǎn)品的帶電接線端，也不會有危險。

        腕套接地導(dǎo)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(xiàn)等電勢搭接；如果太低，會出現(xiàn)可靠危害）的儀器。

        腕套接地導(dǎo)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(qū)內(nèi)的實際工作

        在靜電放電保護區(qū)內(nèi)，如果不遵守明確的工作規(guī)范，電荷和電勢就不能保持在允許的范圍內(nèi)。一些會導(dǎo)致問題的例子包括：將裝在不抗靜電的塑料封面內(nèi)的文件、塑料容器、杯子等帶進靜電放電保護區(qū)內(nèi)，使用會破壞地板或工作表面靜電特性的清潔劑。

        有關(guān)人員應(yīng)接受足夠的訓(xùn)練，不僅學(xué)習(xí)需要遵守的規(guī)程，還要了解必須遵守這些規(guī)程的理由。了解可能損壞的元件的有關(guān)參數(shù)也是有用處的。
應(yīng)指定專人負(fù)責(zé)靜電放電保護區(qū)的保養(yǎng)與維護，同時還要對規(guī)程的執(zhí)行情況進行檢查。這些檢查也應(yīng)作為質(zhì)量管理體系認(rèn)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(dǎo)電泡沫材料。這可以防止元件引腳間出現(xiàn)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(dāng)位于靜電放電保護區(qū)外時，應(yīng)將其置于靜電屏蔽袋或?qū)щ姲徇\箱內(nèi)進行運輸。有的包裝袋使用導(dǎo)電材料制成，它可確保所有元件在穩(wěn)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(yīng)采用襯里是靜電損耗性材料的，而外層是導(dǎo)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(nèi)部裝有固定電路板的導(dǎo)軌的導(dǎo)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(xiàn)場維修

        現(xiàn)場需要維修的產(chǎn)品上要設(shè)置一個靜電連接點，這樣，維修技術(shù)人員在打開設(shè)備的蓋子之前，可以將腕套的接地導(dǎo)線連上。備件應(yīng)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(tài)下，應(yīng)將靜電損耗性地板墊連接到產(chǎn)品的靜電搭接點上，作為工作面使用。

 

９．有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

        1987年，英國進行了將實踐規(guī)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(guān)于應(yīng)該進行哪些檢測的標(biāo)準(zhǔn)，更不如稱其為一個實踐規(guī)范條款。這項工作的弟、二階段是將這個標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換歐洲組織中的一個規(guī)范，其編號是CECC 000151，其標(biāo)題為：“基本規(guī)范：靜電敏感元件的保護弟、一部分：總體要求”。該標(biāo)準(zhǔn)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(qū)要求，弟四部分：高壓環(huán)境要求）出版。這些部分的內(nèi)容超出本文討論范圍。

        標(biāo)準(zhǔn)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(xì)闡述了包括測試方法在內(nèi)的靜電保護器件自身的詳細(xì)要求。

        技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)中積累的經(jīng)驗，以及自動化機械設(shè)備的普遍使用，使這些標(biāo)準(zhǔn)得到不斷完善，包括使其結(jié)構(gòu)更加合理化，同時將用戶指南從標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)將在IEC 1340系列中發(fā)布，毫無疑問，這與歐洲標(biāo)準(zhǔn)是相輔相成的。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)部分如表2示：

表2 國際電工委員會1340方案結(jié)構(gòu)
IEC 1340-1
 		概要
IEC 1340-1-1
 		靜電原理指南
IEC 1340-1-2
 		定義與術(shù)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(shù)
IEC 1340-3
 		靜電效應(yīng)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(yīng)模型
IEC 1340-4
 		特殊場合下的標(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(shù)及評測其效應(yīng)的方法
IEC 1340-6-1
 		電離劑

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