淺談電子制造過程中的靜電及靜電防護

鮮 飛

（烽火通信科技股份有限公司，武漢 430074）

1 引言

ESD（Electrostatic Discharge）即靜電釋放：兩個帶不同靜電電平的物體，通過直接接觸或靜電電場的作用會使兩物體的靜電電荷發生位移，當靜電電場達到一定能量，之間的介質被擊穿而產生放電，這就是ESD的全過程。可以說，我們就生活在一個靜電的世界。由于生活中靜電無處不在，所以ESD也經常發生，大到電閃雷鳴，小到脫毛衣時迸出火花，都屬于此列。我們可以按以下描述簡單判斷ESD的強弱，當放電電壓低于3kV時，ESD過程會發生但我們不會感覺到，電壓大于3kV時，人體有輕微麻麻的感覺，當電壓大于6kV時，我們會聽到“劈啪”的放電聲，而當電壓大于8kV時，同時還會伴隨快速的電弧火花出現了。

隨著科學技術的飛速發展，電子、通信、航天航空等高新產業的迅速崛起，尤其是電子儀器儀表和設備等電子產品日趨小型化、多功能及智能化。高密度集成電路已成為電子工業對上述要求中不可缺少的器件。這種器件具有線間距短、線細、集成度高、運算速度快、低功率和輸入阻抗高的特點，因而導致這類器件對靜電越來越敏感。靜電放電是導致元器件擊穿危害和對電子設備的運行產生干擾的主要原因。在電子產品的生產中，從元器件的預處理、安裝、焊接、清洗、至單板測試、總測、直到包裝、儲存、發送等工序，都可能產生對器件的靜電放電擊穿危害。因此，靜電防護顯得越來越重要。靜電作為一種自然現象，不讓它產生幾乎是不可能的。但是，把它的存在控制在危險水平下，使其造成的損失盡可能減小，則是可以做得到的。有效地進行靜電防護與控制，依賴于對靜電現象的認識和對其發生、存在、消除的控制；依賴于掌握和了解靜電與環境條件的關聯性和靜電發生的規律。

2 靜電的產生

在電子組裝工業中，產生靜電的主要途徑為：摩擦、感應和傳導。

2.1 摩擦

在日常生活中，任何兩個不同材質的物體接觸后再分離，即可產生靜電，而產生靜電的最普通方法，就是摩擦生電。材料的絕緣性越好，越容易產生摩擦生電。另外，任何兩種不同物質的物體接觸后再分離，也能產生靜電。

2.2 感應

針對導電材料而言，因電子能在它的表面自由流動，如將其置于一電場中，由于同性相斥，異性相吸，正負電子就會轉移。

2.3 傳導

針對導電材料而言，因電子能在它的表面自由流動，如與帶電物體接觸，將發生電荷轉移。

3 靜電對電子產品的危害

靜電對電子產品的危害有多種形式，并具有自身的特點。

3.1 靜電危害的形式

靜電的基本物理特性為：吸引或排斥，與大地有電位差，會產生放電電流。這三種特性對電子元器件有三種影響：

（1）靜電吸附灰塵，降低元器件絕緣電阻。

（2）靜電釋放（ESD）破壞，造成電子元件不能工作。表1列出了一些常見電子元器件所能承受靜電破壞的靜電電壓，從表中可以看出大部分器件的靜電破壞電壓都在幾百至幾千伏，而在干燥的環境中人活動所產生的靜電可達幾千伏到幾萬伏。圖2是一個CMOS器件和一個雙極型器件在受到ESD損傷后芯片內部的相貌像。

（3）靜電放電產生的電磁場幅度很大（達幾百伏/米），頻譜極寬（從幾十兆到幾千兆），對電子產品造成干擾甚至損壞（電磁干擾）。

這三種形式對元器件造成的損傷，既可能是永久性的（如功能喪失，不能恢復），也可能是暫時性的（如靜電放電產生的干擾使功能暫時喪失）；既可能是突發失效，也可能是潛在失效。其中靜電釋放（ESD）事件是造成元器件損傷最常見和最主要的原因。

3.2 靜電危害的特點

相對于其他應力，靜電對電子產品危害存在以下一些特點：

（1）隱蔽性

人體不能直接感知靜電除非發生靜電放電，但是發生靜電放電人體也不一定能有電擊的感覺，這是因為人體感知的靜電放電電壓為2kV～3 kV，所以靜電具有隱蔽性。

（2）潛在性

即器件在受到ESD應力后并不馬上失效，而會在使用過程中逐漸退化或突然失效。這時的器件是“帶傷工作”，這是人們對靜電危害認識不夠的一個主要原因。實際上，靜電放電對元器件損傷的潛在性和累積效應會嚴重地影響元器件的使用可靠性。由于潛在損傷的器件無法鑒別和剔除，一旦在上機應用時失效，造成的損失就更大。而避免或減少這種損失的最好辦法就是采取靜電防護措施，使元器件避免靜電放電的危害。

（3）隨機性

電子元件任何情況下都可能遭受靜電破壞，可以這么說，從一個元件產生以后，一直到它損壞以前，所有的過程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產生也具有隨機性，其損壞也具有隨機性。

（4）復雜性

靜電放電損傷的失效分析工作，因電子產品的精、細、微小的結構特點而費時、費事、費錢，要求較高的技術并往往需要使用一些高精密儀器。即使如此，有些靜電損傷現象也難以與其他原因造成的損傷加以區別，使人誤把靜電損傷失效當作其他失效。這在對靜電放電危害未充分認識之前，常常歸因于早期失效或情況不明的失效，從而不自覺地掩蓋了失效的真正原因。所以靜電對電子器件損傷的分析具有復雜性。

3.3 可能產生靜電危害的制造過程

元器件從生產到使用的整體過程中都可能遭受靜電損傷，依各階段可分為：

（1）元器件制造過程；

（2）印刷電路板生產過程；

（3）設備制造過程；

（4）設備使用過程；

（5）設備維修過程 。

在這整個過程中，每一個階段中的每一個小步驟，元件都可能遭受靜電的影響，而實際上，最主要而又容易疏忽的一點卻是在元器件的傳送與運輸的過程。在這整個過程中，不但包裝因移動容易產生靜電外，而且整個包裝容易暴露在外界電場（如經過高壓設備附近，工人移動頻繁、車輛迅速移動等）而受到破壞，所以傳送與運輸過程需要特別注意以減少損失，避免無謂之糾紛。

所以，從元器件的制造、使用到維修的任一環節都有可能發生靜電危害。

4 靜電防護

靜電防護的基本原則是：

（1）抑制靜電荷的積聚；

（2）迅速、安全、有效地消除已經產生的靜電荷。

4.1 接地

接地就是直接將靜電通過一條線的連接泄放到大地，這是防靜電措施中最直接最有效的方法，對于導體通常用接地的方法，如有繩防靜電手腕帶、地板及工作臺面接地等。

4.2 靜電屏蔽

靜電敏感元件在儲存或運輸過程中會暴露于有靜電的區域中，用靜電屏蔽的方法可削弱外界靜電對電子元件的影響，最通常的方法是用靜電屏蔽袋和防靜電周轉箱作為保護。另外防靜電衣對人體的衣服具有一定的屏蔽作用。

4.3 離子中和

絕緣體往往是易產生靜電，對絕緣體靜電的消除，用接地方法是無效的，通常采用的方法是離子中和（部分采用屏蔽），即在工作環境中用離子風機等，提供一個等電位的工作區域。

5 靜電防護材料與靜電防護設施

因此在防靜電材料和防靜電設施中，均是按這三種方式派生出來的產品，可分為防靜電儀表，接地系統類防靜電產品，屏蔽類防靜電包裝，運輸及儲存防靜電材料，中和類靜電消除設備以及其他防靜電用品。

5.1 防靜電儀表

（1）手腕帶/腳腕帶/防靜電鞋綜合檢測儀用途：檢測手腕帶、腳筋帶、防靜電鞋是否符合要求。

（2）測試腳帶及防靜電鞋時，需增加一塊金屬板及儀表連接的導線。

（3）除靜電離子風機檢測儀用途：定期對離子風機平衡度和衰減時間進行檢測及校驗以確保離子風機工作在安全的指標范圍。

（4）靜電場測試儀用途：測量靜電場以反映靜電的存在，以電壓形式讀數，用來測試環境的靜電強度。一般受環境影響和靜電瞬間特性，很難真實反映實際情況。

（5）靜電屏蔽袋測試儀用途：檢測靜電屏蔽袋的屏蔽效果。

（6）表面電阻測量儀用途：測量材料表面電阻，體積電阻。

5.2 接地類防靜電產品

（1）防靜電手腕帶：廣泛用于各種操作工位，手腕帶種類很多，建議一般采用配有1MΩ電阻的手腕帶，線長應留有一定余量。

（2）防靜電腳腕帶/防靜電鞋：廠房使用防靜電地面后，應配備防靜電鞋，建議車間以穿防靜電鞋為主，可降低灰塵的引入。操作人員再結合配帶防靜電腳腕帶效果將會更佳。

（3）防靜電臺墊：用于各工作臺表面的鋪設，每個臺墊串上1MΩ電阻后與防靜電地可靠連接。防靜電臺墊主要是防靜電復合膠板，主要用于鋪墊桌面、流水線工作臺面、貨架及制作地墊等。材料面層為草綠色，導電物質是抗靜電劑；底層為黑色，導電物質是碳黑。

（4）防靜電地板：防靜電地板的也有多種，按時效性分，有永久性的和臨時性的；按材料分有導電橡膠、PVC、導電陶瓷等；按鋪設方式分，有地面直接鋪設的和架空的活動地板。可根據實際需要和成本決定。如需要在地面走多種電纜、管道的環境選擇架空鋪設的活動地板比較好。

5.3 屏蔽類防靜電包裝運輸及儲存材料

（1）防靜電周轉箱、防靜電元件盒：用于車間單板和部件的周轉、運輸及儲存。

（2）防靜電包裝袋：用于單板和部件的包裝、運輸和儲存，具有一定的防潮效果。

（3）防靜電膠帶：用于各種包裝箱等。

（4）防靜電IC包裝管及IC托盤：用于生產車間IC元器件的儲存、搬運。禁止在使用前露天存放IC或拆開包裝運輸。

（5）防靜電貨架、手推車及工作臺：防靜電貨架、手推車廣泛用于電子裝配車間的單板、部件的周轉、搬運等。防靜電貨架及工作臺要有防靜電接地，手推車應有金屬鏈與大地接觸。

（6）防靜電工作服、工作鞋：在具有靜電敏感元器件，具有一定潔凈度要求的加工車間，一般應嚴格要求員工穿戴防靜電工作服工作鞋。防靜電服裝是用不同色的防靜電布制成。布料紗線含一定比例的導電紗，導電紗又是由一定比例的不銹鋼纖維或其他導電纖維與普通纖維混紡而成。通過導電纖維的電暈放電和泄漏作用消除服裝上的靜電。由于不銹鋼纖維屬金屬類纖維，所以，由它織成的防靜電布料的導電性能穩定，不隨服裝的洗滌次數而變化。

（7）防靜電手指套：如操作員工需經常手拿靜電敏感元器件時，要戴防靜電手指套。

5.4 中和類設備

離子風機、風槍、風嘴、風簾、離子棒等。