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静电防护知识

第一章 概述
一、静电现象
静电现象的发现已经有一千多年的历史了，随着岁月的流逝，人们把它当成一门古老的科学，并未予以特别重视。但是近几十年来，随着电子元器件和电子产品向集成化、小型化、高密度、多功能和高速度方向的发展，半导体器件得到广泛的应用，静电的危害越来越得到人们的注意。
1、什么是静电 静电就是静止的电荷。
2、电荷的产生
任何物质都是由原子组合而成的，而原子的基本结构为质子、中子和电子（如下图） 。质子、中子因质量较高、结合力强、不易分开，紧密聚在一起称为原子核。电子的质量小，围绕在原子核外。

质子带正电，中子不带电，电子带负电。在正常状况下，一个原子的质子数与电子数相同，正负平衡，所以对外表现出不带电的现象。但电子环绕于原子核周围，在外力作用下，可以脱离原来的原子A，转移到另一个原子B，A原子因缺少电子数而带有正电现象，称为正离子，B原子因增加电子数而带有负点现象，称为负离子（如下图）。正离子、负离子都带有电荷。

A 离子 B离子
3、静电的物理现象
静电是不平衡分布的原子，阳离子携带正电荷，阴离子携带负电荷，正负电荷有异性相吸，同性相斥的力量，其力量的大小可由库仑定律求得：

所以，静电的第一个现象即为异种电荷相互吸引。如在日常生活中，吸附尘埃即为常见的情况。
由于电荷的存在，即在周围空间中形成电场，其强度V=Q/C，其中V为电位，Q为电荷量，C为电容。

这个电场，其强度可以击穿一些电路的绝缘层，破坏绝缘。
静电与大地之间因有电位存在，如果触及电路时，就会产生电流，即放电电流（electrostatic discharge current）,该电流常会将电路导体烧毁。放电电流的大小为：I=V/R， 其中I为电流强度，V为电压，R为电阻。

总之，静电的基本物理特性为：

1、电荷之间吸引或排斥的力量；
2、电荷与大地之间具有电位差；
3、会产生放电电流。
4、静电的产生
造成电子分配不平衡的原因是电子受外力而脱离轨道，这个外力包含各种能源（如动能、位能、热能、化学能等）。在日常生活中，任何两个不同材质的物体接触后再分离，都可能在物体上产生电荷，电荷的积累就会造成我们通常所说的静电现象。总的来说，静电通常是由于两种不同起电序列的物体通过摩擦、碰撞、剥离等方式在接触又分离后在一种物体上积累正电荷，在另一种物体上积累等量负电荷而形成的，是导致电子或离子的转移，正负电荷在局部范围内失去平衡的结果。
二、有关静电的术语及其定义
1、静电放电：ElectroStatic Discharge (ESD)
指在具有不同静电势的两个物体之间的静电的转移。
2、静电敏感器件：ElectroStatic Sensitive Device(ESDS)
指日常操作、试验和运输容易遭受静电场或静电放电所损害的分立器件、集成电路或组件。这里所讲的损害包括器件性能的任何降低或不正常。
3、静电导电材料：ElectroStatic Conductive Materials
指具有表面电阻率小于或等于1X105Ω或体积电阻率小于或等于1X104Ω.cm的材料。
4、静电耗散材料：ElectroStatic Dissipative Materials
指具有表面电阻率大于1X105Ω和小于1X102Ω，或体积电阻率大于1X104Ω.cm和小于或等于1X1011Ω.cm的材料。
5、绝缘材料：Insulative Materials
指具有表面电阻率大于1X1012Ω,或体积电阻率大于1X1011Ω.cm的材料。

第二章 防静电腕带电阻的测量
一、测量准备工作
要求被测物体与测量所用电极是清洁的，在测量前应利用易发挥的清洗剂清洗两次，清洗后利用一块清洁的低棉含量的布擦干净其表面，并风干不小于15mins,使其表面干燥清洁。
二、测试仪器的要求
仪器所测电阻值要比被测电阻值至少高于10倍和低于10倍。当被测电阻值小于1X105Ω时，该仪器应能提供10V1V的开路直流电压，当被测电阻值在1X105Ω～1X1011Ω范围内，应能提供100V10V的开路直流电压。另外两根测量导线是相对绝缘的。
三、测量方法
腕带对地电阻测量如下图，要求所用测量仪器对所测电阻值要有可见或可闻的显示信号，腕带的电气连接利用一个适当供插头所用的接头和一个无锈的尺寸至少为25.4mmX25.4mm的铁制手接触板来实现，操作人员带上腕带并将自由端插到试验仪表上，手接触板必须被压紧直到设备产生感应。

防静电器材或设施要达到防静电效果，就必须做到：1、腕带泄露电阻应为106Ω左右（邮标为1X105Ω～1X107Ω之间），静电泄放至100V以下的时间应小于0.1s。2、防静电桌布或地垫的任何一点对地线的（接地）电阻106Ω～109Ω之间，桌布或地垫必须对地串联一个Ω的电阻。3、电烙铁应接地，烙铁头与地之间的电阻应不大于2Ω，烙铁头与地之间的电位差有效值应不大于2mV。4、防静电工作服的带电电荷量应小于0.6μC/件，防静电脚底鞋的电阻值应在0.5X105Ω～1.0X108Ω范围内。

第三章 静电的作用和危害
静电现象给人们带来了有益的一面，如人们利用静电吸引和排斥作用，制成了静电复印机，或使油漆带上静电进行静电喷涂。
但是，在电子行业中，静电通常会带来很多危害。静电放电（ESD）
的能量对于传统元器件影响，不易被察觉。但对于因线路间距短、线路面积小而导致耐压降低、耐流容量减小的高密度元器件来讲，ESD往往会成为致命的杀手。据1986年北京电子报介绍，美国当时一年内因静电所造成的电子产品的经济损失高达5亿美元。目前，ESD给世界电子工业造成的损失，已经达到几十亿、甚至上百亿美元的惊人程度。
ESD的危害通常表现为：1、元器件吸附灰尘，改变线路间的电阻，影响元器件的功率和寿命；2、由于电场或电流的作用，可以因为破坏元件的绝缘或导体而使元件不能工作（完全破坏）；3、由于瞬间电场或电流产生的热量，造成元件损伤，尽管能工作，但寿命受到损伤。如果元器件完全被破坏掉，必然能够在生产及检验过程中被检查出来所以影响较小。如果元器件轻微受损，在正常测试情况下不易被轻易发现，在这种情况下，常常因经过多次的使用，甚至在使用时，才被完全破坏掉。这种情况，在生产过程中不易检查出来，但对以后的损失将难以预测。
通常静电危害半导体的途径有三种：
（一）、人体带电使半导体损坏。下表列出日常工作所产生的静电强度（据MR.OWEN JMCATEER 1970年7月发表的报告）。
活动情形
产生静电强度（V）
10%-20%相对湿度
65%-95%相对湿度
走过地毯
35000
1500
走过塑胶地板
12000
250
在椅子上工作
6000
100
拿起塑胶文件夹、袋
7000
600
拿起塑胶袋
20000
1000
工作椅垫上摩擦
18000
1500
下表列出了一些半导体器件受到破坏时的电压（据1980年NEPCON/WEST报告）
半导体种类
静电破坏电压（V）
VMOS
30-1800
CMOS（INPUT PROTECECTED）
250-3000
MOSFET
100-200
GaAsFET
100-300
EPROM
100
JFET
140-7000
SAW
150-500
OP-AMP
190-2500
可见在人们的工作过程中，若不注意静电的防护，对静电敏感的器件往往会不知不觉地受到损害。通常情况下，人体带2000V的静电电压，当一个带电的人体，在机芯等电子组件、电子产品装配、检焊过程中，手一旦摸到元器件，就会把储存的一些能量传输到元器件或通过器件传输到大地。在许多情况下，放电脉冲就有足够的电能来改变器件的参数，甚至烧毁结点。
（二）、电磁感应使器件损坏。带点体周围的电场和大地之间存在着电位差，当元器件，如MOS器件，接了引脚之后，引出脚和电极便连接成回路，相当于天线，由于引脚电场梯度远大于介子电压，于是二氧化硅很容易被击穿，器件失效。
（三）、器件本身带电使器件损坏。器件带电主要是器件与器件之间摩擦产生的。由于器件本身可起到电容器一极的作用，在有效接触之前，储存有电容，于是便可产生放电脉冲而损害元器件。
那么电子元器件在什么情况下会遭受静电的破坏呢？
可以这样说，从一个元件产生以后，一直到损坏之前，所有的过程都受到静电的威胁。我们将一个元器件从生产到使用的整个过程中，依照各阶段的不同来讨论。
1、元器件制造：在这个过程包含制造、切割、接线、检验到交货。
2、印刷电路板（PCB）：收货、验收、储存、插件、焊接、品管、包装到出货。
3、设备制造：电路板验收、储存、装配、品管、出货。
4、设备使用：收货、安装、实验、使用及保养。
在整过过程中，每阶段中的每一个小环节，元件都有可能遭受静电的影响，而实际上，最主要而又容易忽视的一点却是在元件的传送与运输的过程在这过程中，不但包装因移动而容易产生静电外，而且整个包装容易暴露在外界电场（如高压设备附近、工人移动频繁、车辆迅速移动等）而受到破坏，所以传送与运输过程要特别注意易减少损失，避免无谓之纠纷。

第四章 静电放电对电子设备造成的损
一、对设备内集成电路的损伤
静电对集成电路的损伤主要表现于静电的放电造成芯片内热二次击穿、金属喷涂熔融、介子击穿、体积击穿等，使集成电路彻底损坏和由于静电引起的潜在损害。
当静电放电能量达到一定值时，足以引起塑封集成电路的爆炸，使其芯片完全烧毁裸露，造成人身伤害及设备故障。
静电放电可以引起设备内部集成电路突然失效，同时，静电造成电路潜在损伤会使其参数变化、品质劣化、寿命降低，使设备运行一段时间后，随温度、时间、电压参数变化而出现各种故障。这潜在的危害，也是静电防护要解决的重点之一。
二、静电敏感器件（ESDS）的分类及处理方法
根据GJB1649，静电放电引起电子元器件损伤的电压值不同，可将其分为三类：1类：0V～1999V 2类：2000V～3999V 3类4000V～15999V
现代的电子产品选用敏感器件，其敏感性范围大多数是1类、2类、3类共存并混装于印制板电路板上，既有1类器件也装有2、3类器件，所以，对于现在电子设备的静电防护必须按照1类静电敏感器件进行，较为合理，也较为方便。
三、静电放电的电磁场影响
静电放电将形成频谱很宽的干扰电磁场，很容易感应接收进入通讯设备内，扰乱系统的正常运行，例如使误码率增大，设备误动作等，极大地影响产品工作的可靠性。

第五章 静电的预防
预防静电的基本原则：
1、抑制或减少机房内静电的产生，严格控制静电源。
2、安全可靠及时消除生产车间产生的静电荷，避免静电荷积累。静电导电材料和静电耗散材料用泄露法，使静电荷在一定的 时间内通过一定的路径泄露到地；绝缘材料用离子静电消除器为代表的中和法，是物体上积累的静电荷吸引空气中带来的异种电荷，被中和而消除；用静电屏蔽容器运送静电敏感器件或组件，在静电安全区域使用或安装静电敏感元件。
3、定期（如一星期）对防静电设施进行维护和检验。
根据静电危害半导体集成电路的三途径，我们可以制定相应的预防静电的措施。
第一、预防人体带电对静电敏感器件的影响。由于人体是一个静电带电体，因此，对实际操作人员必须进行上岗前防静电知识培训，以提高其时刻的静电防护意识。同时，在人体从车间外进入车间内时，最好将人体多余电荷中和或泄放掉。一般车间入口处安装金属门帘或离子风机，当人体进入车间时，在门帘下停留1-2s，即可在离子风机下将人体电荷泄放或中和掉。也可在待检库、库房、半成品库、高温房、装调间、维修间、贴片间等处配置一定功率的离子风机，以消除整个环境的静电。每一位入厂员工要穿带防静电工作服和拖鞋，以免在身上积累电荷。在工作过程中，要佩带防静电手环或手表。凡焊接、装配、维修线路板的工作台面上应铺有防静电台面并可靠接地。生产厂房、实验室应布有符合标准的接地系统，各工序应有与整体地线相连接的局部地线。另外，回流焊机、焊料与传递系统、焊接工具、测试设备、调试中整机也应接地。
第二、要预防电磁感应的影响。要将元器件或其组件放置远离电场的地方。
第三、要预防器件本身带电的影响。要求各工序的IC器件使用专门的容器盛放，所谓静电屏蔽容器包括：导电性塑料盒、导电性塑料袋、导电性海绵、导电屏蔽袋等。
第四、控制工作环境的湿度。由于湿度与静电强度有很大的关系，因此严格控制工作环境的湿度，可以防止环境中的静电影响。从第一个表中可以看出，湿度增加，可以有效降低环境静电的影响。但湿度也不能过高，过高的湿度反过来也可产生静电，同时，还会导致包括器件氧化和焊接困难等方面的问题。一般湿度控制在50%-70%之间。
总之，一个完整的静电防护工作应具备以下几点：
A、完整的静电安全工作区域；
B、适当的静电屏蔽容器；
C、工作人员具备完全的防护观念；
D、警示客户（包含元件装配、设备使用和维护人员），使客户不致因不知道而造成破坏。

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