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电子元器件的静电解决方案

电子元器件的静电解决方案

１．静电放电

静电放电（ESD）是大家熟知的电磁兼容问题，它可引起电子设备失灵或使其损坏。当半导体器件单独放置或装入电路模块时，即使没有加电，也可能造成这些器件的长久性损坏。对静电放电敏感的元件被称为静电放电敏感元件（ESDS）。

如果一个元件的两个针脚或更多针脚之间的电压超过元件介质的击穿强度，就会对元件造成损坏。这是MOS器件出现故障济主要的原因。氧化层越薄，则元件对静电放电的敏感性也越大。故障通常表现为元件本身对电源有一定阻值的短路现象。对于双极性元件，损坏一般发生在薄氧化层隔开的已进行金属喷镀的有源半导体区域，因此会产生泄漏严重的路径。

另一种故障是由于节点的温度超过半导体硅的熔点（1415℃）时所引起的。静电放电脉冲的能量可以产生局部地方发热，因此出现这种机理的故障。即使电压低于介质的击穿电压，也会发生这种故障。一个典型的例子是，NPN型三极管发射极与基极间的击穿会使电流增益急剧降低。

器件受到静电放电的影响后，也可能不立即出现功能性的损坏。这些受到潜在损坏的元件通常被称为“跛脚”，一旦加以使用，将会对以后发生的静电放电或传导性瞬态表现出更大的敏感性。

要密切注意元件在不易察觉的放电电压下发生的损坏，这一点非常重要。人体有感觉的静电放电电压在3000 — 5000V之间，然而，元件发生损坏时的电压仅几百伏。

静电放电的危害效应是在二十世纪七十年代开始认识到的，这是由于新技术的发展导致元件对静电放电的损坏越来越敏感。静电放电造成的损失每年可达到几百万美元以上。因此，许多大型的元件和设备制造厂引进专业技术以减小生产环境中的静电积累，从而使产品合格率和可靠性提高了许多。用户根据自己的经验也懂得了防治静电放电损害的重要性。

２．如何对付静电放电？

控制静电积累的弟一步是要弄清楚静电荷的产生机理。

静电电压是由不同种类的物质相互接触与分离而产生。尽管摩擦能够使电荷积累得更多，但是摩擦并不是必要的。这种效应即是大家熟知的摩擦起电，所产生的电压取决于相互摩擦的材料本身的特性。磨擦起电序列表列出了各类物质的带电难易程度。对于相互接触的两种物质，电子会从序列表较上的物质转向较下的物质，这样就会使两种物质分别带正负电荷。序列表中的物质离得越远，各自所带的电荷数量也越大。常见物质的磨擦起电序列如下表所示：

表1摩擦起电序列

●　人体

＋

－

●　玻璃

●　云母

●　聚酰胺

●　毛织品

●　毛皮

●　丝绸

●　铝

●　纸

●　棉花

●　钢铁

●　木头

●　硬橡胶

●　聚脂薄膜

●　聚乙烯

●　聚氯乙烯

●　聚四氟乙烯（PVC）大多数是负极性的

电荷也可通过感应产生，这是带电体使其附近的另一物体上的电荷发生分离的结果

３．实际问题解决

问题的解决包括：如果静电放电敏感元件（ESDS）在生产和维护期间暴露在外面，那么在这些元件附近，应防止电荷的积累，并且在运输和保管过程中，将这些元件按防静电放电的方法包装。

防止静电放电，有许多方法可以采用。济好的办法是满足要求且成本济低的方法，这样的方法对于不同的产品和不同的场合都是不同的。

４．静电放电保护区域（EPA）

静电放电保护区域（EPA），有时指可靠操作区，是任意一种静电放电控制措施的核心所在。在此区域中，静电放电敏感元件（ESDS）或电路板，或包含这些的组件，都可以很可靠地工作，因为电荷的数量得到控制，而不会产生破坏性电压。这种区域中通常包含工作台或工作台组、工作站、自动插件机一类的处理设备或者一块生产区。EPA的范围必须清楚的标明，济好设置一围栏以防止未经允许的无关人员入内。EPA区域内应使用静电荷积累济小的材料，并且可使电荷以受控制的方式泄入到大地中。

图 1 静电放电保护区

表２静电放电保护区

A1接地轮	A2接地滑片	A3接地面	B1腕套测试器	B2脚跟接地测试器	B3脚跟接地底板
C1腕套和腕套绳	C2接地线	C3静电放电接地设施	C4地	C5接地搭接点	C6大地接地点
C7手套	C8脚趾和脚跟带箍	D1电离剂	E1工作面	F1腿和座套已接地的转椅	G1人体接地地板
H1工作服	H2工作帽	I1具有接地面的搁板	I2接地机架	J1静电放电保护区标志

典型的静电放电保护区如图1所示，此图摘自EN100015-1，其中许多是新近的。该图给出了各种可能的措施，但并没有必要全部使用这些措施，这主要由特定的环境决定。所采用的其本原理就是等电位搭接，即将所有表面连接在一起，防止不同物体之间产生电位差。

工作面[E1]是静电损耗性的，通过静电放电的接地设施[C3]连接到地[C4]。工作站的操作人员通过导电腕[C1]上的导线和地电位点相连，然而，对于活动频繁的人员，济好是通过脚跟和脚趾带箍[C8]与静电损耗地板[G1]相通（即接地）。腕套的接地导线在接地点[C5]处进行端接。

操作人员所穿的破旧工作服[H1、H2]也应是静电损耗性的，并在靠近静电放电敏感元件附近遮住工作人员自己的衣服，所有破旧的手套也应是导电材料的。

转椅[F1]不应视为操作人员接地的基本方法，但值得注意的是，转椅上必须铺一层抗静电的材料，使座套、靠背和扶手均有与地相通的路径。

元件应存放在带有接地面的搁板[I1]上，或者是接地的机架[I2]上。这些东西与工作台都应通过接地导线[C2]与静电放电的地面相接。

当用手推车装运元件或子配件时，其表面导电性能应与工作面和导电机架的导电性能相似。如果接地轮[A1]导电性良好，且与手推车车架电气连接，那么不再需要使用接地滑片了。如果EPA的地板没有接地，那么当手推车停下来装卸东西时，则应将其接地点[C6]与大地接地点[C5]相连。

在操作人员的正常工作期间，对所采用的这些措施的效果应该用静电伏特计测量其静电势和静电场来评估。

在保护区内和进出口处，应使用标志[J1]来提醒他们注意。

应对腕套及其接地导线用导通测试仪定期进行检测。导电轮和脚趾带箍也应作类似的检测[B2，B3]。

５．可靠性

EPA内一般有加电的工具和设备。在这种环境中，将单个物件或设备直接连接到地是很危险的。正是由于此原因，腕套接地导线、转轮及脚趾带箍的连接处均要串入一只不低于1M的电阻。有些腕套接地导线的每端均有一只这样的电阻，因此，即使腕套接地导线接在加电维修的产品的带电接线端，也不会有危险。

腕套接地导线测试仪是一种检测电阻的阻值是否合适（如果太高，不可能实现等电势搭接；如果太低，会出现可靠危害）的仪器。

腕套接地导线要配以可快速拔下的与其它电气插座不兼容的插头，这样可以保证它不会误插到其它电气插座上，并且，在紧急情况下容易拔下。

６．静电放电保护区内的实际工作

在静电放电保护区内，如果不遵守明确的工作规范，电荷和电势就不能保持在允许的范围内。一些会导致问题的例子包括：将装在不抗静电的塑料封面内的文件、塑料容器、杯子等带进静电放电保护区内，使用会破坏地板或工作表面静电特性的清洁剂。

有关人员应接受足够的训练，不仅学习需要遵守的规程，还要了解必须遵守这些规程的理由。了解可能损坏的元件的有关参数也是有用处的。

应指定专人负责静电放电保护区的保养与维护，同时还要对规程的执行情况进行检查。这些检查也应作为质量管理体系认证的一部分加以核查。

７．运输与存放

运输带引脚的元件时，通常使用导电泡沫材料。这可以防止元件引脚间出现较高的电势差，对于双列直插式封装的元件，在散装运输过程中常采用静电损耗性管。

对于线路板组件，当位于静电放电保护区外时，应将其置于静电屏蔽袋或导电搬运箱内进行运输。有的包装袋使用导电材料制成，它可确保所有元件在稳定条件下处于同一电势，同时将偶然跑到袋上的静电荷耗散掉。这种方法不能用于带电池的电路板，对于这种情况，应采用衬里是静电损耗性材料的，而外层是导电材料的包装袋。这种袋子的价格更高，但可对加电和未加电的组件提供极好的保护作用。同样，内部装有固定电路板的导轨的导电箱不能与边缘上有裸露连接器的加电电路板一起使用。

８．现场维修

现场需要维修的产品上要设置一个静电连接点，这样，维修技术人员在打开设备的盖子之前，可以将腕套的接地导线连上。备件应放在静电屏蔽袋或箱子中进行运输，除非备件中不包含静电放电敏感元件。如果模块工作在暴露状态下，应将静电损耗性地板垫连接到产品的静电搭接点上，作为工作面使用。

９．有关标准

1987年，英国进行了将实践规程编制成文件的弟一次尝试，其成果是BS5783。与其说这是一个关于应该进行哪些检测的标准，更不如称其为一个实践规范条款。这项工作的弟二阶段是将这个标准转换欧洲组织中的一个规范，其编号是CECC 000151，其标题为：“基本规范：静电敏感元件的保护弟一部分：总体要求”。该标准1991年出版，1992年重新编号为EN 1000151。其它部分在1993年（弟二部分：低湿度条件要求）和1994年（弟三部分：清洁区要求，弟四部分：高压环境要求）出版。这些部分的内容超出本文讨论范围。

标准不仅包括安装、维护和检验本文所述的措施方面的要求，而且也详细阐述了包括测试方法在内的静电保护器件自身的详细要求。

技术和工艺的不断发展和执行标准中积累的经验，以及自动化机械设备的普遍使用，使这些标准得到不断完善，包括使其结构更加合理化，同时将用户指南从标准化版本中分离出来。修订工作已纳入国际电工委员会所组织的国际论坛中，新制定的标准将在IEC 1340系列中发布，毫无疑问，这与欧洲标准是相辅相成的。有关标准部分如表2示：

表2 国际电工委员会1340方案结构

IEC 1340-1	概要
IEC 1340-1-1	静电原理指南
IEC 1340-1-2	定义与术语
IEC 1340-2	静电测量方法
IEC 1340-2-1	静电荷的消耗
IEC 1340-2-2	可充电性
IEC 1340-2-3	电阻及电阻系数
IEC 1340-3	静电效应模拟方法
IEC 1340-3-1	人体模型
IEC 1340-3-2	机器模型
IEC 1340-3-3	充电元件模型
IEC 1340-3-4	场效应模型
IEC 1340-4	特殊场合下的标准测试方法
IEC 1340-4-1	地板垫子的估测
IEC 1340-4-2	包装
IEC 1340-4-3	鞋类
IEC 1340-5	静电敏感元件的防护细则
IEC 1340-5-1	总体需求
IEC 1340-5-2	用户指南
IEC 1340-6	静电控制技术及评测其效应的方法
IEC 1340-6-1	电离剂

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