ESD防护包装基本技术原理

ESD防护包装基本技术原理，懂得特定情况下包装的使用是实施和保持有效的ESD控制体系的关键。
摘要
本文描述了ESD防护包装及工作表面使用材料必须考虑的基本技术问题。这些基本原理可用于传统的包装材料如纸箱、包装袋和周转箱，也可以用于暂时性包装材料，如制造过程中的周转包装袋。这些原理同样也可以用于器件在组装过程中可能接触到的工作台台面和传送带。

重要术语的理解
以下术语是理解ESD材料和进行包装设计的基础：
•抗静电材料（Antistatic）：能够有效地阻止静电荷在自身及与其接触材料上积累的材料。
•静电耗散材料（Static Dissipative）：用于减缓带电器件模型（CDM）下快速放电的材料。按照静电协会（ESDA）和电子工业联合会（EIA）的定义，其表面电阻在105 ~1012 Ω/sq之间。抗静电材料和静电耗散材料可直接用于多数充电和放电失效过程中防护，甚至包括了自动生产线。当然在使用当中须经过简单的测试。不过，这并不时说它们是万能的，有时我们也需要使用导静电材料。
•导静电材料（Conductive）：按照定义，是指表面电阻率小于105 Ω/sq的材料。它们通常被用于器件与同电位分流连接，在某些时候，它们还被用于区域的静电场屏蔽。
在对这三种材料的理解上容易有一些误区，比如，许多材料既是抗静电材料又是静电耗散材料；很多时候通常导电材料与一些绝缘材料也会产生静电，但这些材料不能视为抗静电材料。
要清楚材料的区别，懂得在它们在什么情况下的应用，对于实施和保持有效的ESD控制体系非常关键，同时也是正确评价防静电材料供应商产品有效性的关键���素。这些材料特性不能对正常的生产过程造成影响。此外，耐磨损性，热稳定性，污染的影响以及其他很多其他特性也应当成为评价材料特性时需要考虑的因素。
抗静电材料及使用
绝缘材料与其他材料相接触会产生静电，这是因为物体接触时，会发生电荷（电子或分子离子）的迁移，抗静电材料能够让这种电荷的迁移济小化。不过，因为摩擦起电取决于相互作用的两种物质或物体，所以单独说某种材料是抗静电的并不准确。
准确的说法应该是，该种材料对另一种材料来讲是抗静电的。实际当中，所指其他材料既有绝缘材料，如印刷线路板（PWB）环氧树脂基材，也有导电材料，如PWB 上的铜带。它们在某些过程及取放当中都可能带电。
多数商用抗静电材料是对生产过程中的多数材料是抗静电材料的材料，因此才被称为抗静电材料。它们有三种不同类型：（1）通过抗静电剂表面处理；（2）合成时混入抗静电剂在表面形成抗静电膜的材料（3）本身就有抗静电性的材料。
常用的抗静电剂能够减少许多材料的静电，因此应用广泛。它们一般是溶剂或载体溶液混入抗静电表面活性剂，如季铵化合物、胺类、乙二醇、月桂酸氨基化合物等而制成。使用抗静电剂能够在材料之间形成一层主导材料表面特性的薄膜。这些抗静电剂都是表面活性剂，其减少摩擦电压的机理还不得而知。然而，研究发现，这些表面活性剂都具有吸收水分子的特性，它们能够促使材料表面吸收水分。实际应用同样也是，抗静电剂的效果受环境湿度的影响很大。此外，抗静电剂也可减少摩擦力，有利于减少摩擦电压。
因为抗静电剂具有一定的导电性能，所以在适当湿度的条件下，它们能够通过耗散来泄放静电。但在实际当中，后一种特性可能更容易得到重视，因而它也就成为了评估抗静电材料的济主要的指标。但是，抗静电材料更重要的功能应当是其在没有接地的状态下减少静电产生的功能，而不是导电性。
静电耗散材料及使用
很多时候静电的产生不可避免，因此可靠地消除静电显得更为重要。许多抗静电材料在接地或与地板等大的平面导体接触的时候也具备静电耗散功能。静电耗散材料具有相似的体积电阻，或用导电材料覆盖，如用于工作台的台垫等。耗散材料在接触带电器件时，能够使放电的电流得到限制。
按照EIA 和ESDA的定义，静电耗散材料是表面电阻率在105 ~1012 Ω/sq的材料。Bossard等学者的研究表明，105 Ω/sq下限电阻对于ESD能量敏感器件的保护来讲是适当的，这类器件会因热熔导致失效。
除表面电阻率之外，静电耗散材料另一个重要特性是将其将静电荷从物体上泄放的能力，而描述这一特性的技术指标是静电衰减率。按照孤立导体静电衰减模型，静电衰减周期与其泄放电路的电阻与电容乘积（RC）成指数关系：
V(t) = V0e-t/t
式中V(t) 为衰减后静电电压，V0是衰减前静电电压，t为时间，t= RC 是时间常数。
研究静电泄放能力，典型的假设是，在特定的时间内，如2秒内，将静电电压衰减到一个特定的百分比，如1%。对一个盛放PWB的周转箱来说，其电容大约为50 pF，这时其电阻应为：
这个数字正好是静电耗散材料阻值范围中的值。此外，对静电耗散材料来说，相对湿度也是重要的因素，在静电衰减测试当中要予以控制和记录。

导静电材料的特性和使用
表面电阻率小于1 X 105Ω/sq的材料被定义为导静电材料。导静电材料可以将导静电材料或静电耗散材料上的静电转移到自身的表面。它通常用于分流目的，将器件的引脚连接到一起以保证引脚之间的电位相同。
要想达到分流的目的，须保证两点：弟一，在快速放电中保持等电位。这一限制与材料的电感有关。测试实验中发现，8000V的脉冲电压能将放在导静电泡沫材料中的，对HBM放电非常敏感的器件（小于50V）的器件损坏。虽然有测试表明，对器件引脚进行分流保护在工厂生产环境中已经足够，但是有证据表明，分流保护仍然不能排除可能的损伤。济近公布的一些实验数据证明了这一点。
弟二，分流必须让器件引脚闭合。许多静电放电，特别是带电器件模型（CDM）下的放电，放电的时间只有1nS，如果分流用物体距离器件几英寸远，此时器件引脚上的ESD会在电流流过分流导电材料形成的等电位连接之前就损伤了器件。
很少有实例表明，器件会对纯粹的静电场敏感。实际当中，使用导静电材料仅仅对表面声波（SAW）过滤的器件和光掩膜集成电路（IC）的器件是必要的，因为它们金属**结构中有微小的空气间隙（这种结构会让静电场增强）。此外，非连续型金属氧化物半导体（MOS）器件在有非常长的天线引入线接触器件时，由于场强影响放大，也会被静电场损坏。
典型的导静电材料是混入了碳粉的高分子聚合材料（如前面所提到的导电泡棉）或采用真空熏镀金属层的材料（如屏蔽袋）。虽然，105 Ω/sq是导静电材料和静电耗散材料的界限值，它并不是提供CDM保护的下限值。这一点，在只有10–104 Ω/sq导电材料可以选择时非常有用。使用导静电材料会导致CDM损伤的风险增加。

几种典型的包装应用
卷盘包装.SMT的普及让卷盘成为集成电路（IC）取放方式的优选包装。因为卷盘能够大幅度提高生产能力，并能减少操作人为影响，这种包装方式很大程度上取代了IC包装管。然而，
卷盘包装济早用于分立型被动器件，如片式电阻的包装，因为这些器件通常不是ESD敏感器件。早期的卷盘包装不是防静电的，结果，在将卷盘覆盖层从载带剥离时经常会产生超过10000V的静电。此时片状器件甚至会受静电引力在载带上直立起来，这对自动化的生产过程有极大的危害。这一点要求卷盘生产中与IC相接触的材料必须使用可靠的材料。因为会增加器件的潜在损伤缘故，我们努力寻找合适的材料来解决这一问题。有一点是明确的，卷盘材料对器件产生的静电比包装管对器件产生的静电确实要高，尽管在它们的广告上说是ESD可靠的，或者说是按照EIA541之类标准制作的。
表1 器件在包装管和不同材料的卷盘包装中产生的静电。
一些卷盘带上的确使用了抗静电材料，但这些材料仅仅是在外面的非粘贴层，粘贴面与器件接触后，仍会产生超出预料的高静电压。
除此之外，另外一点需要注意的是，载带材料的导电性过强，还可能会导致场感应的CDM失效。其原因是，当时没有能与典型的抗静电材料相匹配的粘胶。
导电材料载带的这种缺陷在CDM敏感器件（150V）的一系列实验中可以得到证实。将敏感器件装入表面电阻率为1~100 Ω/sq材料的载带，做振动试验，以模拟器件的运输和取放过程，然后测试其是否失效。结果显示，器件中有相当大的数量击穿电压等电性能显著下降；相反，使用104 Ω/sq载带和绝缘材料的覆盖带做同样的实验，却没有出现电性能的下降。图1是实验结果的汇总。
图1 不同材料载带振动后1-µA漏电电流下击穿电压
防静电包装袋.对于屏蔽袋的使用，在ESD行业曾经有许多误区。这些误区主要与早期的静电场敏感器件有关。尽管在ESD保护环境中，很难发生无保护的MOSFET的器件失效，但是人们还是普遍相信这些器件会在静电场中损坏。
材料
损伤电压(V)
新包装袋
旧包装袋
导电纸板
2500 —
绝缘袋
4000 —
抗静电（粉红色聚乙烯）袋
4500 —
静电耗散袋
5000–6000 —
抗静电气泡片
4500–6500
6000
抗静电泡棉
6500 —
屏蔽包装袋（三层结构）
6500–8000
5000–6000
表2 各类ESD包装袋所能提供器件保护电压
现在这些观点已经基本被摒弃了，但是许多产业仍然保留着使用屏蔽袋的要求。尽管器件会因感应带电，这取决于其在电场中停留的时间，而屏蔽层确实可以减少感应的影响，但这些屏蔽层既不是**的解决办法，也不是济佳的解决办法。表2是几种包装抗静电能力的测试结果。其实验基本方法是，将HBM敏感度200V的敏感器件或同等电压敏感度的探头放在包装袋中，再使用HBM模拟器放电测试其静电破坏情况。数值指示的是器件在袋中被损坏时施加电压。
这些数据表明，在一个常规的ESD控制条件下的环境中，如电子产品生产车间，表中所列的任何一种材料都可以使用。此环境的静电压完全可以保持在2500V以下，低于济小的静电损伤电压。
屏蔽包装袋在使用后效果会大大减弱，因为折叠或弯曲都会造成金属层穿孔和破裂。因此，包装袋或盒济重要的特性是它们的抗静电性、静电耗散性以及物理保护性能。表2的数据还说明，屏蔽包装袋不是解决电子产品在非控制环境中取放的济理想的材料。相比之下，刚性材料的包装可以提供适当的空隙，对器件的ESD保护和物理保护都能收到较好的效果。
图2 能够提供空气间隙的包装：(a)IC包装管、静电耗散泡棉以及卷盘；(b)没有屏蔽层的静电耗散袋；(c)刚性包装：特殊处理过的保利绒；(d)静电耗散泡沫
电容耦合和空气间隙
导电和屏蔽材料多数情况下不是必须的包装材料，其中一个原因是，器件相对于静电源的方位可以济大限度地减少其受到的影响。图2中所列示的材料都能够通过空气间隙达到这一目的，接下来我们逐一讨论。
集成电路（IC）包装管：图3是放置在IC包装管中的器件受到外界静电场影响的示意图。其中，Vs是静电源的电压，CC是静电源与器件之间的电容，CD是器件对地的电容，此时器件的电压可以以下公式计算：
从式中可以看到，刚性结构的包装管会有空隙间距，有助于减少VD。尽管Unger对此有不同认识，一般认为VD/VS的比值通常为1：50。以此计算，在这种结构下，静电耐受能力大于100V的器件放在包装管中，外界5000V的静电也不会对其形成威胁。从这一点讲，除非器件极端敏感或包装放在很高的静电场中，导电材料或金属材料的IC包装管完全没有必要。事实上，Unger的研究表明，导电材料的包装管更容易将电荷传导到器件上，因为它们允许电荷在整个包装管上快速流动。
图3 外界静电场下器件与IC包装管的耦合
周转箱：多数的周转箱使用静电耗散材料制作，其表面的静电荷可以通过接地，或放置在静电耗散材料或导电材料的桌面上泄。图4是存放线路板的耗散材料周转箱的示意图，其外侧及周边周转箱的电荷可能无法通过接地消除，但箱子的结构及线路板的方位可以让其与这些静电源的耦合济小：
图4 印刷线路板（PCBA）与周转箱的底面的耦合（Cb），以及与平行面的耦合（Ce）示意
从平行电容模型来看，周转箱与线路板接触的部分与后者垂直，能够将电容降低到济小，因而耦合较弱，而与线路板平行的表面，由于线路板与箱面之间能保持大约为1/2英寸以上的距离，因而也能够降低其电容值，有效减少耦合。
这种结构能够提供的保护很难量化。相比线路板放水平面静电源上的耦合，这种结构通常情况下能够让其耦合减少一半。因为箱体经常需要进行滑动，而其摩擦所产生的静电会在表面停留，从这一点来说，图4是方式是可以接受的。
发泡包装与（屏蔽）包装袋：使用刚性或半刚性包装材料时，能够在运输和取放时让器件与外界保持适当的空隙，这些空隙可以让包装在不使用导电材料的前提下，提供物理性保护的同时减少场强的影响。我们所看到的多数对屏蔽研究的文献，是假设包装袋处于极端恶劣的环境下，周围的静电源高达15,000-35,000 V，得出的结论，实际在通常的情况下，刚性包装与其他的包装结合使用已经足够减少ESD的损坏。
三类ESD失效情况的对策
我们将引起ESD损伤的情况分为三类，对它们的分析和对策如表3所示。理论上讲，在这些措施中任意一个对于减少ESD损伤都有效，但实际上理想的效果很难达到。这是因为：首先，没有任何技术能够保证万无一失。抗静电剂会有一定的时效性，过期就会失效，此时接地会时好时坏，或完全断开。其次，某些措施可能限制一些防护措施的使用，或甚至将其完全排除在外。例如，卷盘包装的覆盖带的粘贴面必须使用绝缘材料，才能将与载带粘合在一起。
情况
操作
解决办法
A
1.移动时在表面产生静电
使用抗静电材料或在任意一个表面涂抗静电剂
2.将器件带到表面带静电物体的附近
物体表面使用耗散材料
保持空隙或/和使用屏蔽保护
3.器件在靠近表面带静电物体的附近时处于接地状态（CDM）
空气离子化处理
使用静电耗散材料
B
1. 由于运动让绝缘材料的器件包装产生静电。
包装材料使用抗静电材料或使用抗静电剂处理表面。
2.器件本身带静电
空气离子化处理
3.器件带静电后处于接地状态(CDM)
使用静电耗散材料
C
1.由于人的活动产生静电
手腕带接地。
2.人体带电
使用导电或静电耗散地板和鞋
3.接触器件将静电传递到器件
房间系统空气离子化
将器件隔离
使用静电耗散包装以减慢放电速度
使用导电材料分流静电
表3 三类常见的ESD情况及ESD控制措施
情况A。两个表面间的运动产生静电，敏感器件被放置在其电场中，而器件随后又进行了接地。接触的表面使用抗静电材料可以解决操作1的问题。表面所产生的静电可以通过静电耗散材料、空气离子化中和、使用空隙间隔或静电屏蔽来消除。操作3的问题，可以通过使用静电耗散材料来控制静电泄放的速度。
情况B。情况A中，可以有多种途径来解决操作3的问题，而情况B则不同，它是器件与其他材料接触后自身带电的情况。在情况A中，操作1的问题可以通过使用抗静电材料或静电耗散材料来解决，但对于情况B，器件本身的材料不可替换，不可能使用这两种材料来解决问题。要满足电路要求，制作器件的陶瓷或塑料材料须是高绝缘材料，同时对于防潮和防腐蚀也对材料提出了相应的要求。这些对于操作2问题的解决都有限制。此时器件包装上有静电荷，除非允许长时间，**的去除方法就是使用空气离子化。操作3问题是导致失效操作，**可行的保护办法就是避免导体接触放电的器件，而改用静电耗散材料与器件接触。
对于像工作台面这类大的材料，单独使用一个105–1012 Ω阻值的外接电阻并不是好的替代方法，这是因为离散电阻会产生寄生电容，它允许高频大电流，导致典型的CDM的静电损伤。
情况A和B由运动所导致，生产中经常会在器件的操作当中产生。我们所熟知的人为因素在这并不是ESD损伤的关键因素，而���些情况才是济大的静电损伤隐患，因为在生产过程中，它们会持续产生静电。
情况C。相比而言，在生产车间，人员接地容易做到，HBM风险会越来越少。但是，即便是在检查非常严密时，也偶尔会有操作员工不正确地使用手腕带，导致其失去作用的情况出现，因而，包装必须提供附加的保护。这种保护在缺少